EM 封面文章|南京工业大学&圣彼得堡国立大学&东南大学&开姆尼兹工业大学联合EM发表文章:面向高能量密度锂电池的定制聚合物电解质

Customized polymer electrolytes for high-energy-density lithium batteries

面向高能量密度锂电池的定制聚合物电解质

第一作者：方硕修

通讯作者：袁新海，付丽君，吴宇平

通讯单位：南京工业大学，东南大学

DOI: 10.20517/energymater.2025.230

聚合物固态电池因兼具高安全性与高能量密度，已成为当前储能领域的重要研究方向。然而，其进一步发展仍面临两方面核心瓶颈。其一，传统聚合物电解质普遍存在锂离子迁移数低、高压界面稳定性不足等问题，而溶剂化化学的发展为聚合物电解质设计提供了新的思路。其二，传统锂离子电池正极材料，如钴酸锂和三元材料，能量密度提升空间有限；相比之下，富锂锰基正极能够同时利用阴、阳离子双氧化还原反应，在实现更高比容量和能量密度方面展现出显著潜力，因此被视为下一代高能量密度正极的重要候选材料。但在固态电池体系中，富锂锰基正极仍面临阴离子氧化还原反应活化困难、反应可逆性不足等突出问题。进一步来看，富锂锰基正极本身虽具有较明确的阴、阳离子氧化还原来源，但在与固态电解质匹配时，往往因界面接触不良和离子传输动力学迟缓，引发析氧、层状向尖晶石相转变等现象，最终导致电池性能快速衰减。因此，如何稳定晶格氧并加快锂离子传输，是推动富锂锰基正极在聚合物固态电池中高效应用的关键。

针对上述问题，清华大学张强教授团队提出了PTF-PE-SPE聚合物电解质的阴离子主导溶剂化设计策略。该体系通过原位聚合溶剂化单体构建富阴离子溶剂化结构，并在正负两极界面原位形成富氟界面层，从而有效提升富锂锰基正极与电解质之间的界面稳定性，并改善电化学反应动力学。得益于这一设计，该体系表现出优异的综合性能，不仅实现了超高面容量和高能量密度，同时兼具良好的循环稳定性与安全性。与传统含氟聚合物电解质相比，PTF-PE-SPE体系在溶剂化结构设计、界面调控机制以及电化学性能等方面均取得了明显突破。

图1 含氟聚醚基聚合物电解质原位聚合示意图

尽管该聚合物体系在固态电池中已取得显著进展，但距离实际应用仍存在若干制约因素，主要体现在成本与规模化制备难度、大容量电池中的力学稳定性、高温及高倍率条件下的界面稳定性，以及低温环境下离子传输性能不足等方面。围绕这些问题，本文提出了相应的优化思路：其一，通过采用低氟或无氟单体部分替代全氟单体，并结合紫外预聚与热聚合双固化工艺，以降低材料与制备成本；其二，通过纳米增强或构建半互穿网络结构，提高电解质的力学强度并抑制界面脱层；其三，在集流体表面构建超薄氟化碳功能膜或可控氧化层，以诱导均匀富氟化锂界面的形成，进一步增强界面稳定性；其四，通过引入共聚软链段降低聚合物结晶度，改善低温条件下的链段运动能力和锂离子传输性能，实现低温快速导锂。

在此基础上，本文进一步提出了该领域未来值得重点关注的四个研究方向：（1）采用低氟/无氟单体部分替代全氟单体和紫外预聚+热聚合双固化体系优化工艺，降低成本；（2）纳米增强或半互穿网络提高力学强度、抑制界面脱层；（3）在集流体构建超薄氟化碳功能膜或可控氧化层，诱导均匀富氟化锂界面生成，从而增强界面稳定性；（4）引入共聚软链段降低结晶度，改善低温性能，实现低温锂离子快速迁移。此外，明确了未来四大研究方向：（1）富阴离子溶剂化与单离子传导的多功能电解质设计，兼顾离子传输与力学稳定；（2）富锂锰基表面氟化改性与调控聚合物溶剂化壳层，实现高压正极界面稳定、高面容量与长循环；（3）开发连续原位聚合与卷对卷涂布规模化工艺适配大体积电池；（4）调控聚合单体结构，在低温下保留富阴离子溶剂化环境与离子导通，拓宽高能量固态电池温域。

总体而言，聚合物固态电池未来的发展方向在于多类型电解质体系与高容量电极材料的协同创新。在电解质端，需要持续优化聚合物本体性能并发展复合电解质体系，融合不同体系在离子传输和界面适配方面的优势；在电极端，则需进一步稳定富锂锰基正极结构并推动其与高容量负极的协同匹配，最终实现高性能聚合物固态电池的产业化应用。此外，本文所强调的阴离子主导溶剂化和一体化界面调控思路具有较强的普适性，不仅可拓展至高镍三元、尖晶石高压正极、硫基正极和有机正极等多类电极体系，在聚合物电解质方面也可推广至聚碳酸酯、聚酯、聚酰亚胺以及聚合物复合电解质等体系。本质上，界面与溶剂化协同调控是解决聚合物固态电池中界面失稳和性能衰减问题的关键策略，相关认识与展望也可为其他高性能固态电池体系的发展提供借鉴。

袁新海

 南京工业大学大学

袁新海，南京工业大学能源科学与工程学院校聘副教授（2024年入职）。主要研究方向为高能量密度水系电池与新型储能材料，涵盖水系镁/锌/锂离子电池等。担任Chemical Engineering Journal、Journal of Energy Chemistry、Small、Electrochimica Acta、Ionics 等期刊审稿人，并任Crystals、Inorganics 客座编辑。迄今在Advanced Energy Materials、Electrochemical Energy Reviews、Advanced Functional Materials、Advance Science 等国际期刊发表论文50余篇，累计引用4200余次，授权国家发明专利3项，H因子25；主持国家自然科学基金青年项目一项。

付丽君

   南京工业大学

付丽君，南京工业大学教授、博士生导师，国家优秀青年基金获得者，江苏省特聘教授。2004年和2010年在复旦大学获学士和博士学位，后在中科院上海硅酸盐研究所和德国马克斯普朗克固态所从事研究工作，2015年5月入职南京工业大学。担任Elsevier《Solid State Ionics》副编委、Elsevier《Chinese Chemical Letters》（中国化学快报）青年编委。获第五届中国大学生动力电池创新竞赛优秀导师奖、IUPAC江教授新材料青年奖、张家港市奖教金、上海市优秀博士论文等奖励。共发表SCI论文140余篇，总引用次数超过11000次，H因子50。致力于研究电化学储能、锂（离子）电池、水系锌离子电池、水锂电、钠（离子）电池等课题。