南开大学陈鹏、潘桂玲团队Nano Letters：多尺度阴离子固定策略破解原位固态电解质“电导-力学-界面”难题

第一作者：付恩德，杨帆

通讯作者：陈鹏*，潘桂玲*

单位：南开大学

原位聚合固态电解质因其能够形成共形的电极-电解质接触和高效的离子传输通道，被认为是固态锂金属电池最有前景的技术路线之一。然而，传统的原位聚合往往优先构建高度交联的刚性聚合物网络，这会破坏锂离子传输所需的精细配位结构，导致溶剂化离子液体的本征离子传导优势无法充分发挥。如何在保持聚合物网络机械强度的同时，最大限度地保留溶剂化结构，是该领域的核心挑战。

近日，南开大学的高学平、陈鹏、潘桂玲团队在国际知名期刊Nano Letters上发表题为"In Situ Polymerized 'Solvated-Ionic-Liquid in Oligomer' Composite Electrolyte with Multiscale Anion Immobilization for Solid-State Lithium-Metal Batteries"的研究论文。该工作提出了一种多尺度工程策略，通过在三氧化二铝纤维骨架中原位构建聚碳酸乙烯酯低聚物网络，成功制备了"低聚物中溶剂化离子液体"固态复合电解质。该设计在分子尺度上保留了86.8%的溶剂化结构，在纳米尺度上通过FEC构建LiF-rich SEI，在宏观尺度上利用Al₂O₃纤维增强机械强度并固定阴离子，实现了离子电导率（4.32 mS cm⁻¹）和锂离子迁移数（0.465）的协同提升。

研究团队通过在Al₂O₃纤维骨架中原位聚合聚碳酸乙烯酯低聚物。拉曼光谱表明，该低聚物网络成功保留了溶剂化离子液体中86.8%的[Li(G4)]⁺配位结构，这是实现高离子电导率的关键。红外光谱和凝胶渗透色谱证实，所形成的是分子量约4300 g mol⁻¹的低聚物结构，这种非完全交联的网络设计为溶剂化结构提供了充足的空间。

DFT计算显示，Al₂O₃/PVC/FEC三元体系对TFSI⁻阴离子的吸附能高达-2.94 eV，远高于单一组分。其中，PVC低聚物通过氢键作用在分子尺度锚定阴离子，Al₂O₃纤维通过路易斯酸位点在宏观尺度进一步增强固定作用，而FEC添加剂则在纳米尺度参与构建LiF-rich SEI。这种多级协同效应使锂离子迁移数从0.046（SPA）提升至0.465（SPA-15F），活化能降低至3.86 kJ mol⁻¹。

在Li/Li对称电池测试中，SPA-15F电解质实现了超过700小时的稳定循环，过电位仅20 mV。XPS分析（如图4e-g）表明，FEC与LiTFSI的协同分解在锂负极表面生成了富含LiF的SEI层，有效抑制了锂枝晶生长和界面副反应。相比之下，未聚合的Pre-SPA-15F体系因小分子迁移导致界面迅速失效。

采用SPA-15F电解质的Li/LiFePO₄电池在室温下表现出优异的倍率和循环性能。在1C倍率下循环450次后容量保持率达85.6%，在3C高倍率下循环1000次后仍保持79.7%的容量（126.2 → 100.6 mAh g⁻¹）。EIS分析表明，原位聚合形成的紧密电极-电解质接触有效降低了界面阻抗，而FEC的引入进一步优化了界面离子传输动力学。

In Situ Polymerized "Solvated-Ionic-Liquid in Oligomer" Composite Electrolyte with Multiscale Anion Immobilization for Solid-State Lithium-Metal Batteries

陈鹏简介：南开大学材料科学与工程学院讲师。2015年本科毕业于南开大学化学学院，2020年博士毕业于南开大学材料科学与工程学院，同年入职为讲师。2023-2024年在美国威斯康星大学密尔沃基分校访问学习。长期从事全固态电池和新型光储能体系的研究和开发，主持国自然面上项目和青年项目各1项，先进技术类课题1项，横向课题2项。以通讯作者身份在 Nature Communications, Advanced Functional Materials, Nano Letters等学术刊物上发表多篇研究论文。

潘桂玲简介：南开大学化学学院高分子化学研究所，高级实验师。1999年加入南开大学高分子化学研究所，并于2001年至2004年在南开大学化学学院进行研究生学习。长期从事物理化学和材料表征相关的研究与教学工作。