中科院物理所李泓 & 北京科技大学伊小萍ESM：分子定制交联剂实现110 MPa高强固态聚合物电解质

第一作者：杨易鑫，肖凯汕

通讯作者：李泓*，伊小萍*

单位：中国科学院物理研究所，北京科技大学

固态锂电池因其高能量密度与高安全性被视为下一代储能技术的重要发展方向。然而，固态聚合物电解质长期以来面临力学强度与离子电导率、电化学稳定性与界面相容性之间难以兼顾的科学挑战，严重限制其实际应用。传统研究多借助交联结构改善性能，但大多聚焦于对交联剂种类的经验性筛选，缺乏对交联剂本征结构参数（如分子量、链段长度）与聚合物电解质多尺度性能之间构效关系的系统揭示与机理深入理解。如何通过精准的分子设计，在保持高离子传输的同时实现优异的机械性能与界面稳定性，是当前固态聚合物电解质研究的关键挑战。

近日，中国科学院物理研究所李泓研究员与北京科技大学伊小萍特聘副教授在Energy Storage Materials上发表题为“Molecular-Tailored Crosslinker Enabling a 110 MPa-Robust Solid Polymer Electrolyte for Long-Cycling Solid-State Lithium Metal Batteries”的研究论文。该工作提出一种分子定制化交联剂设计策略，通过精准调控交联剂中环氧乙烷（EO）重复单元链段，实现了固态聚合物电解质力学、电化学及界面性能的协同优化。研究揭示了交联剂分子量-网络结构-性能三者之间的非单调依赖关系与内在机理，并成功制备出兼具超高机械强度（110 MPa）与优异电化学性能的聚合物电解质ME9G。本工作为高性能聚合物电解质的分子工程设计与机理解析提供了重要的理论依据与材料范式。

本研究基于紫外光（UV）固化工艺制备了一系列基于不同EO链长交联剂（TMPn(EO)TA）的固态聚合物电解质。研究发现，交联剂分子结构对聚合物电解质的离子电导率、锂离子迁移数及力学性能呈现非单调影响规律，主要归因于网络交联密度、链段活动性、离子解离与配位环境等多个竞争因素的协同作用。当n=9时，TMP9(EO)TA赋予ME9G最优的网络拓扑结构，使所得固态电解质（ME9G）具备110 MPa的超高抗拉强度，电化学稳定窗口扩展至4.9 V vs. Li⁺/Li。理论模拟与光谱分析进一步证实，该结构有利于锂盐解离与阴离子限域，促进高效离子传输。ME9G在锂对称电池中实现超过1400 h的稳定循环，极化电压保持低位。Li|NCM811在30℃，0.5C条件下循环600次后容量保持率达75.98%，展现出良好的界面兼容性与长循环稳定性。结合Raman、XPS、AFM等表征与第一性原理/分子动力学模拟，研究从微观层面阐明了EO链段如何调控离子对解离、阴离子扩散及界面SEI/CEI组成。该工作为通过分子结构精准调控实现高性能固态聚合物电解质提供了清晰的物理图像与理论指导。

伊小萍：北京科技大学特聘副教授，2023年获北京科技大学工学博士学位，2023-2025年于中国科学院物理研究所从事博士后研究工作，并先后在香港大学、英国伯明翰大学访问合作。研究方向涵盖固态锂电池关键材料、下一代新型电池体系（锂空气电池、锂硫电池及多价态金属-离子电池）、电池热管理及系统优化、多尺度失效分析（第一性原理、分子动力学、相场、有限元等）等，在Sci. Adv., Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater.等国际期刊上发表SCI论文30余篇。

李泓：中科院物理所研究员，博士生导师，十四五储能与智能电网重点专项总体组组长，国家新能源汽车创新中心技术专家，国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向为高能量密度锂离子电池、固态锂电池、电池失效分析和固态离子学。提出和发展了纳米硅碳负极材料，基于原位固态化技术的混合固液电解质电池和全固态电池技术。联合创办北京卫蓝新能源科技有限公司、溧阳天目先导电池材料科技有限公司、中科海钠科技有限公司、天目湖先进储能技术研究院有限公司、长三角物理研究中心有限公司。合作发表SCI论文600余篇，引用超过65000次，H因子135。共申请中国发明专利200余项，已获授权120余项。

杨易鑫：中国科学院大学材料科学与工程专业本科生，在中国科学院物理研究所李泓研究员团队从事科研工作。现为加州大学伯克利分校Gerbrand Ceder 教授课题组访问学生。研究方向主要集中于有机与无机固态电解质材料的设计与制备、固态电解质与高电压正极的界面匹配问题，以及离子传输机理的基础研究。

肖凯汕：中国科学院物理研究所在读博士生，师从李泓研究员，本科毕业于中南大学材料科学与工程学院，研究方向聚焦于固态锂电池聚合物固态电解质、有机-无机复合固态电解质，在Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater.等期刊上合作发表文章4篇，其中第一作者2篇，申请发明专利3项。