研究背景：

固態(tài) 鋰 金屬電池憑借其卓越的能量密度與安全性前景，已成為能源存儲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)（ Zhenghao Li, Yun Zheng*, et al., Adv. Funct . Mater. 2024, 34, 2404427; Yun Zheng*, et al., Adv. Mater. 2024, 36, 2314120, ESI 1%, 高被引論文， 2024 Wiley 威立中國開放科學(xué)高貢獻(xiàn)作者獎(jiǎng)）。其中， 深共晶 聚合物電解質(zhì)（ DEPEs ）融合了固態(tài)聚合物電解質(zhì)的機(jī)械穩(wěn)定性 與深共晶 電解質(zhì)的高界面潤濕性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng) DEPEs 中鋰離子與聚合物氧原子間的強(qiáng)配位作用，嚴(yán)重制約了其鋰離子傳導(dǎo)性能。

近日，福州大學(xué)鄭云教授、張久俊院士團(tuán)隊(duì)在固態(tài)鋰金屬電池柔性聚合物電解質(zhì)領(lǐng)域再獲重要進(jìn)展。 繼研究 成果“ ‘Rigid Exterior, Soft Interior’Design Enables High-Voltage Polyether Electrolytes for Quasi-Solid-State Batteries ”（ Yun Zheng*, et al., Angew . Chem. Int. Ed. , 2025, e202502728 ）發(fā)表后， 相關(guān)研究成果 以“ Gene-Editing Design Upgrades Eutectic-Polymer Electrolytes with Ultra-High Li + Conductivity ”為題，再次發(fā)表于 Angew . Chem. Int. Ed. 。受 “ 基因編輯 ” 啟發(fā) ， 本研究 開發(fā) 了 一種新型深共晶聚合物電解質(zhì)（ GEPE ）。該設(shè)計(jì)通過引入異佛爾酮二異氰酸酯（ IPDI ）衍生的聚合物片段，巧妙地利用其空間位阻效應(yīng)與電子吸引誘導(dǎo)效應(yīng)，大幅削弱了 Li + 與聚合物間的相互作用，實(shí)現(xiàn)了 1.83 mS cm?1 的超高室溫 Li + 電導(dǎo)率（總離子電導(dǎo)率為 3.0 mS/cm ），遠(yuǎn)超當(dāng)前主流 DEPEs 。其中， Li|GEPE|Li 對稱電池展現(xiàn)出超過 3000 小時(shí)的超長穩(wěn)定循環(huán)， Li|GEPE|LFP 電池在 5C 倍率下循環(huán) 10000 次后，容量保持率仍高達(dá) 75.2% ，庫侖效率近 100% 。該策略為設(shè)計(jì)高性能固態(tài)電解質(zhì)提供了全新分子工程范式。

文章鏈接 ：

https://doi.org/10.1002/anie.202508857

本文亮點(diǎn)：

（ 1 ）新型仿生“基因編輯”策略 ： 受到 “ 基因編輯 ” 原理的啟發(fā)，作者提出了一種 新型 DEPE 設(shè)計(jì)范式，通過靶向替換 含醚氧的 聚合物鏈段為 功能性異佛爾 酮二異氰酸酯（ IPDI ）衍生基團(tuán)，構(gòu)建了具有定制分子結(jié)構(gòu)的 “ 基因編輯 ” 聚合物電解質(zhì)。這種設(shè)計(jì)巧妙地利用 IPDI 基團(tuán)的 環(huán)脂族空間 位阻效應(yīng)和電子誘導(dǎo)效應(yīng)，顯著削弱 Li?- 聚合物氧基團(tuán)的強(qiáng)配位作用 ，同時(shí) 通過氫鍵供體位點(diǎn)強(qiáng)化陰離子捕獲能力。

（ 2 ）新型超快 Li + 傳導(dǎo)協(xié)同機(jī)制 ： 結(jié)合表征和分子動力學(xué)模擬等實(shí)驗(yàn)手段， 系統(tǒng)揭示了 IPDI 衍生基團(tuán) 的雙重機(jī)制 。 一方面，空間位阻與誘導(dǎo)效應(yīng)顯著降低 Li? 與殘余氧基的結(jié)合能，促進(jìn) Li? 的脫離與擴(kuò)散；另一方面， IPDI 上的 N–H 氫鍵位點(diǎn)有效捕獲 TFSI? ，提升 Li? 解離度與遷移數(shù)。多重協(xié)同作用顯著提升了室溫 Li? 電導(dǎo)率與遷移數(shù)，從根本上緩解了傳統(tǒng) DEPE 中 Li? 傳輸遲滯的瓶頸。

（ 3 ）萬次快充超長循環(huán)準(zhǔn)固態(tài)電池 ： Li|GEPE|Li 電池展現(xiàn)出超過 3000 小時(shí)的超長穩(wěn)定循環(huán)，充分證明其在界面 兼容性 和 枝晶及 副反應(yīng)抑制方面的優(yōu)越性。 GEPE 組裝的鋰金屬電池 能匹配多種正極（ LiNi?.?Co?.?Mn?.?O? 、 LiNi?.?Co?.?Mn?.?O? 及 LiFePO ? ） ，組裝的 系列準(zhǔn) 固態(tài) 鋰 金屬電池均表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率與循環(huán)性能。尤其在 5C 高倍率下， Li|GEPE|LiFePO ? 電池實(shí)現(xiàn)了超過 10000 圈的超長循環(huán)，容量保持率仍高達(dá) 75% 以上， 展現(xiàn)了在快速充電和高安全固態(tài) 鋰 金屬電池中的巨大應(yīng)用潛力，在循環(huán)性能與倍率性能上均領(lǐng)先于現(xiàn)有同類體系。

主要內(nèi)容：

圖 1. “ 基因編輯 ” 共晶聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)動機(jī)與思路

作者通過 “ 基因編輯 ” 設(shè)計(jì)， 將 IPDI 衍生片段精準(zhǔn)引入聚合物骨架， 巧妙地利用其空間位阻效應(yīng)與電子吸引誘導(dǎo)效應(yīng)， 破壞了 Li? 與聚合物強(qiáng)絡(luò)合作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了陰離子捕獲，最終實(shí)現(xiàn) GEPE 中 Li + 的快速傳輸。

圖 2. GEPE 合成表征與組分優(yōu)化

通過紅外光譜，核磁等表征驗(yàn)證了 GEPE 的成功制備，并 通過 優(yōu)化組分實(shí)現(xiàn)離子電導(dǎo)率與固化狀態(tài)的 最佳 平衡。

圖 3. GEPE 的 Li? 傳導(dǎo)性能與機(jī)制分析

作者系統(tǒng)研究了 GEPE 的電化學(xué)性能， GEPE 表現(xiàn)出更高的 Li + 電導(dǎo)率及更低的活化能。 多種表征表明，其優(yōu)異的離子傳輸性能源自 Li?– 聚合物配位強(qiáng)度的減弱與對 TFSI? 陰離子結(jié)合能力的增強(qiáng)兩者的協(xié)同作用，從分子層面深入闡釋了電導(dǎo)率提升的機(jī)理。

圖 4. 利用 DFT 和 MD 模擬 對 GEPE 中的離子傳輸進(jìn)行理論分析。

基于 DFT 與 MD 模擬的理論分析進(jìn)一步闡明了 GEPE 中 Li? 遷移機(jī)制： IPDI 片段的引入降低了 Li? 與聚合物的吸附能，強(qiáng)化了對 TFSI? 的結(jié)合，并減少了第一溶劑化殼層中 Li–O 的配位數(shù)，從而顯著提升了 Li? 的擴(kuò)散速率與遷移能力，有力驗(yàn)證了 “ 基因編輯 ” 設(shè)計(jì)的有效性。

圖 5. GEPE 界面穩(wěn)定性與 抗枝晶能力 評估

在 Li||Li 對稱電池測試中， GEPE 表現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性（ >3000 h ）和優(yōu)異 的枝晶抑制 能力。掃描電子顯微鏡（ SEM ）和原位光學(xué)顯微鏡觀察證實(shí)， GEPE 能引導(dǎo) 鋰 金屬形成致密、無枝晶的沉積形貌。 COMSOL 多物理場模擬進(jìn)一步揭示， GEPE 可顯著抑制局部電流聚集，實(shí)現(xiàn)均勻的鋰沉積 / 剝離過程。

圖 6. 在 Li||LFP 體系中表現(xiàn)優(yōu)異的倍率與循環(huán)性能

GEPE 在 Li||LFP 全電池中展現(xiàn)出卓越的倍率性能，在 0.2C 至 10C 的 寬范圍 電流密度下均能保持穩(wěn)定的高比容量。特別是在 5C 高倍率條件下，電池實(shí)現(xiàn)了超過 10000 次循環(huán)的超長壽命，容量保持率高達(dá) 75.2% 。

圖 7. GEPE 對高壓 鋰 金屬電池的適配性。

GEPE 展現(xiàn)出 5.0 V 的寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口，能夠兼容高壓 NCM811 與 NCM523 正極材料。基于 NCM811 正極組裝的軟包全電池在切割測試中成功點(diǎn)亮 LED 陣列，充分驗(yàn)證了該電解質(zhì)體系兼具高能量密度與 本征 安全性的工程應(yīng)用潛力。

最終核心結(jié)論

受生物學(xué) “ 基因編輯 ” 概念啟發(fā)，該研究開發(fā)了一種具有超高 Li? 電導(dǎo)率 新型 共晶聚合物電解質(zhì)（ GEPE ）， 可 適用于 快充型高 安全性 準(zhǔn) 固態(tài) 鋰 金屬電池。 本研究 通過整合脂環(huán)族骨架的空間位阻效應(yīng)、 吸電子 誘導(dǎo)效應(yīng) 及異佛爾 酮二異氰酸酯衍生鏈段提供的選擇性陰離子結(jié)合位點(diǎn)， GEPE 在削弱 Li?- 含氧聚合物基團(tuán)配位的同時(shí)增強(qiáng)陰離子 - 聚合物相互作用，有效解決了 傳統(tǒng)深共晶 聚合物電解質(zhì)中普遍存在的 Li? 傳輸速率不足的問題。實(shí)驗(yàn)表明， GEPE 展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能： 25 °C 下離子電導(dǎo)率高達(dá) 3.00 mS cm?1 ， Li? 遷移數(shù) 0.61 ，電化學(xué)穩(wěn)定窗口達(dá) 5.0 V 。 Li|GEPE|Li 對稱電池實(shí)現(xiàn)超 3000 小時(shí)穩(wěn)定循環(huán)。 匹配 NCM523 、 NCM811 、 LFP 等多種正極的 準(zhǔn)固態(tài) 鋰 金屬電池 均表現(xiàn)出卓越性能，其中 Li|GEPE|LFP 電池在 5C 倍率下實(shí)現(xiàn)近 100% 庫侖效率及超 10000 次循環(huán)的超長穩(wěn)定性，容量保持率達(dá) 75.2% 。 本 研究開創(chuàng)了高性能固態(tài)聚合物電解質(zhì)分子工程設(shè)計(jì) 的新 范式。

作者簡介

李政蒿，福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 / 新能源材料與工程研究院 2023 級在讀博士生，師從張久俊院士和鄭云教授。主要研究方向?yàn)楣虘B(tài) / 準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，共發(fā)表 SCI 論文 9 篇，其中以第一作者在 Angew . Chem. Int. Ed. 、 Adv. Funct . Mater. 等期刊發(fā)表 SCI 論文 4 篇。

鄭云教授簡介：鄭云，福州大學(xué)教授、博導(dǎo)， 入選國家教育部海外引才專項(xiàng)，福建省引才 “ 百人計(jì)劃 ” 、福建省 “ 閩江學(xué)者 ” 特聘教授， 2024 威立中國開放科學(xué)高貢獻(xiàn)作者（ Wiley ）， 2024 全球前 2% 頂尖科學(xué)家（ Elsevier/Stanford ）， 2024 年度福州大學(xué)青年五四獎(jiǎng)?wù)拢▊€(gè)人）。清華大學(xué)博士（導(dǎo)師：張久俊 院士），滑鐵盧大學(xué)博后（導(dǎo)師：陳忠偉 院士）。 現(xiàn) 就職于福州大學(xué)材料學(xué)院，擔(dān)任新能源材料與工程研究院（張久俊院士團(tuán)隊(duì)）黨支部書記。長期從事固態(tài) 鋰 金屬電池（新型柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)）研究，共發(fā)表 SCI 論文近 100 篇，其中以第一作者或通訊作者在 CSR (2 篇 ) 、 EER 、 PMS 、 PNAS 、 Joule 、 Angew . (2 篇 ) 、 AM ( 5 篇 ) 、 AEM (3 篇 ) 、 AFM (2 篇 ) 、 ACB 、 CCR 等期刊上發(fā)表科研論文 50 余篇，包括 10 余篇 ESI 高被引論文、熱點(diǎn)文章和封面文章。申請 / 授權(quán)發(fā)明專利 20 余項(xiàng)，以第一作者發(fā)表全英文學(xué)術(shù)專著 1 本（ CRC Press ， 2019 ）、中文學(xué)術(shù)專著 1 本（清華大學(xué)出版社， 2024 ），主持 / 參與國家級和省級科研項(xiàng)目 10 余項(xiàng)。受邀擔(dān)任國際電化學(xué)能源科學(xué)院（ IAOEES ）理事， Renewables ， Advanced Powder Materials ， Carbon Neutrality ， Frontiers in Energy 等領(lǐng)域知名期刊青年編委或客座編輯。

個(gè)人郵箱： yunzheng@fzu.edu.cn

張久俊教授簡介：中國工程院外籍院士、加拿大皇家科學(xué)院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中國化學(xué)會會士、國際電化學(xué)學(xué)會 會 士、英國皇家化學(xué)會會士、國際先進(jìn)材料協(xié)會 會 士、國際電化學(xué)能源科學(xué)院（ IAOEES ）主席、中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會常務(wù)理事兼燃料電池發(fā)動機(jī)分會主任委員，現(xiàn)任福州大學(xué)教授、博導(dǎo)，福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長、 福州大學(xué)新能源材料與工程研究院院長。張教授長期從事電化學(xué)能源存儲和轉(zhuǎn)換及其材料的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開發(fā)，包括燃料電池、高比能二次電池、超級電容器、 CO 2 電化學(xué)還原和水電解等。至今已發(fā)表論文及科技報(bào)告 850 余篇，編著書 30 本，書章節(jié) 47 篇，被引用 93000 多次（ H-Index 為 133 ）。目前是 Springer-nature 《 Electrochemical Energy Reviews 》 SCI 期刊主編、 CRC Press 《 Electrochemical Energy Storage and Conversion 》叢書主編、 KeAi Publishing 《 Green Energy & Environment 》 SCI 期刊副 主編、中國工程院院刊《 Frontiers In Energy 》 期刊副 主編、中國化學(xué)化工出版社大型叢書《電化學(xué)能源儲存和轉(zhuǎn)換》及《氫能技術(shù)》主編及多個(gè)國際期刊的編委。

課題組介紹：

研究團(tuán)隊(duì)與平臺介紹：為了響應(yīng)和對接國家 “ 碳達(dá)峰碳中和 ” 重要戰(zhàn)略決策，由張久俊院士領(lǐng)銜創(chuàng)建福州大學(xué)新能源材料與工程研究院（張久俊院士團(tuán)隊(duì)）。研究院面向新能源產(chǎn)業(yè)，研究前沿理論和先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)核心材料與關(guān)鍵部件，集成新能源系統(tǒng)與制備新能源裝置，培養(yǎng)新能源領(lǐng)域的工程技術(shù)與運(yùn)營管理人才等。研究院下設(shè) 5 個(gè)中心，其中氫能和燃料電池中心，主要開展電解水和燃料電池中的核心材料、高性能催化劑以及關(guān)鍵部件 MEA 膜的研發(fā)；先進(jìn)儲能和動力電池中心，主要開展下一代高能量密度電池，包括 固態(tài)鋰基電池和鈉基電池 等的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化； CO 2 捕獲和還原中心，主要開展 CO 2 電化學(xué)還原低碳燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的催化劑以及裝置的開發(fā)；原位技術(shù)中心，主要依托原位測試技術(shù)為新能源材料與工程研究提供技術(shù)保障與支撐；能源 AI 中心，主要通過計(jì)算機(jī)建模和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新能源材料與器件的快速篩選和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及相關(guān)機(jī)理探究和過程優(yōu)化。

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本文來自公眾號“材料科學(xué)與工程”，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。