2026年2月18日，我院王璐副教授等人在國(guó)際知名期刊《Angewandte Chemie International Edition》（中科院一區(qū)TOP，影響因子16.9）在線發(fā)表了題為“Multiscale Engineering of PEO Electrolytes for High-Voltage and Ultrastable Solid-State Lithium Batteries With Exceptional Room-Temperature Performance”的最新研究成果，研究生劉學(xué)范、張博聞老師為本文共同第一作者，王璐副教授、林學(xué)院孔令龍副教授、廣東工業(yè)大學(xué)張山青教授為本文共同通訊作者，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)為本論文第一完成單位。
固態(tài)電池因其本征安全與高能量密度的雙重優(yōu)勢(shì)，被公認(rèn)為下一代電化學(xué)儲(chǔ)能的核心方向。其中，聚環(huán)氧乙烷（PEO）基固態(tài)電解質(zhì)憑借環(huán)氧乙烷（EO）單元的高給體數(shù)（DN）及鏈段柔韌性，展現(xiàn)出優(yōu)異的鋰鹽溶解能力和離子傳輸性能，是目前研究最深入的聚合物電解質(zhì)體系。然而，PEO電解質(zhì)長(zhǎng)期面臨三重挑戰(zhàn)：室溫離子電導(dǎo)率低、高壓正極兼容性差（超過(guò)4 V易氧化分解）、循環(huán)穩(wěn)定性不足。另外，當(dāng)前研究往往依賴添加液體增塑劑或凝膠化以提升室溫性能，但這本質(zhì)上是以犧牲固態(tài)電池本征安全性為代價(jià)的妥協(xié)。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出一種無(wú)需液體增塑劑的多尺度工程策略，協(xié)同優(yōu)化PEO電解質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)、介觀鏈段運(yùn)動(dòng)與微觀溶劑化構(gòu)型，在不引入液態(tài)組分的前提下，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬電池在高壓與室溫下的超長(zhǎng)壽命循環(huán)，為高性能PEO電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了概念驗(yàn)證。具體地，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了聚乙二醇-聚甲基丙烯酸二甲氨乙酯硝酸鹽（PEG-PDMAEMAH?·NO3?，簡(jiǎn)稱PD）共聚物，并將其引入高分子量PEO（Mv ≈ 600000 g mol?1）電解質(zhì)中。PD共聚物能輕易解離為PEG-PDMAEMAH+（PD+）聚陽(yáng)離子和高供體數(shù)NO3?陰離子。其中，大且柔順的PD+陽(yáng)離子能夠提供優(yōu)異的NO3?溶解度，打破傳統(tǒng)硝酸鹽添加劑溶解度低的局限。同時(shí)，在宏/介觀層面，PD?與PEO的良好相容性有效促進(jìn)了PEO的非晶化及鏈段運(yùn)動(dòng)，避免傳統(tǒng)添加劑或填料所引起的相分離與離子阻斷問(wèn)題。
圖1 本文提出的PEO電解質(zhì)多尺度工程調(diào)控策略示意圖
在微觀層面，具有高供體數(shù)（22.2 kcal mol?1）的NO3?能優(yōu)先與Li+競(jìng)爭(zhēng)配位，削弱EO與Li+的強(qiáng)螯合作用，從而提升體相Li+的遷移率。同時(shí)，形成富含陰離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅降低了Li?脫溶劑化能壘，而且在正極和負(fù)極兩側(cè)形成了富含堅(jiān)固且高離子電導(dǎo)LiNxOy/LiF的CEI和Li3N/LiF的SEI界面層，從而增強(qiáng)了界面動(dòng)力學(xué)和高電壓耐受性。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)PD改性的PEO電解質(zhì)能夠使固態(tài)鋰金屬電池在不添加任何液體增塑劑的情況下在近室溫（30°C）條件下穩(wěn)定運(yùn)行。相應(yīng)地，高壓LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2電池在0.2 C倍率下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)500周的穩(wěn)定循環(huán)，并保持了82.7%的高容量保持率，同時(shí)LiFePO4電池在0.5 C倍率下可穩(wěn)定運(yùn)行1200周。
該研究通過(guò)多尺度協(xié)同調(diào)控，同步實(shí)現(xiàn)PEO基全固態(tài)電池的室溫運(yùn)行、高壓兼容與長(zhǎng)壽命穩(wěn)定三大目標(biāo)，并系統(tǒng)揭示了陰離子化學(xué)在聚合物電解質(zhì)中的關(guān)鍵作用。這一分子設(shè)計(jì)策略為固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用開辟了可行路徑。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后面上基金項(xiàng)目和山東省高等學(xué)校青創(chuàng)人才引育計(jì)劃的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202523382
