苏州国家实验室张晓琨研究员团队ACS Nano：半相分离聚合物电解质破解机械强度与离子传导博弈

第一作者：李继潇

通讯作者：张晓琨*，薛卫东*，陆文洋*

单位：电子科技大学，苏州国家实验室，天府绛溪实验室，苏州科技大学

准固态聚合物电解质（QSPEs）在机械性能和离子电导率之间面临着难以调和的权衡：刚性聚合物网络能增强机械稳定性，但会严重阻碍离子传输；而具有液体性质的增塑剂能提高离子电导率，但往往损害机械强度。采用聚合诱导相分离（PIPS）技术可以自发构建双连续相结构，其中高电导的塑性晶体常被用作主要的离子传输相，但由于交联聚合物与塑性晶体之间相容性差，通常会导致导电区域被绝缘的聚合物基体包裹和孤立，严重限制了Li+的连续传输。因此，如何解决QSPEs中离子传导与机械强度之间的固有矛盾，仍是开发高安全、高能量密度锂金属电池的一大挑战。

近日，苏州国家实验室张晓琨研究员团队在国际知名期刊ACS Nano发表题为“Semiphase Separated Polymer Electrolyte with Continuous Li+ Transport and High Mechanical Robustness for Lithium Metal Batteries”的研究论文。该工作针对传统QSPEs的痛点，通过在深共晶电解质（DEE）中原位共聚疏溶剂单体和亲溶剂单体，巧妙设计并制备了一种具有纳米级“半相分离”结构的准固态电解质（PFEA-DEE）。该设计不仅打破了传统相分离结构中离子通道断裂的限制，还通过机械-化学协同机制赋予了锂金属负极优异的界面稳定性，为开发兼具高安全性和高能量密度的固态锂金属电池提供了全新的解决思路。

本工作通过引入疏溶剂的氟化单体（HFBA）和亲溶剂的含聚醚侧链单体（PEGMEA），实现了对聚合物电解质相结构的精准调控。HFBA因其强吸电子效应削弱了与Li+的配位能力，诱导强烈的相分离以提供刚性交联骨架，而PEGMEA丰富的醚键与Li+配位，改善聚合物与塑性晶体（SN）相的相容性，在SN相之间架起纳米级离子传输桥梁。这种分子层面的工程设计成功将原本断开的孤立相转变为了高度互连的“半相分离”网络结构。

得益于独特的微观结构，优化后的PFEA-DEE电解质展现出优异的综合理化与电化学性能，打破了传统性能博弈。电化学测试表明，该电解质表现出高达 570% 的卓越拉伸应变，还具备 1.69 mS cm-1（30°C）的高离子电导率。此外，富氟骨架的化学锚定效应和聚合物网络的物理限域作用协同固定了TFSI⁻阴离子，使其锂离子迁移数大幅提升至0.655 。同时，氟化组分与强吸电子基团的引入，使体系的氧化电位拓宽至4.95 V，展现出卓越的高压耐受性 。

PFEA-DEE 不仅在离子传导上表现优异，其更能在锂金属负极表面诱导形成稳定保护。在物理层面，原位聚合形成的连续弹性网络能够作为强大的机械缓冲层，有效抵抗锂负极在充放电过程中的体积膨胀和外部应力，从而物理抑制锂枝晶的刺穿。在化学层面，热力学优先还原的 HFBA 与抗还原能力极强的 PEGMEA 共同作用，在锂金属表面形成了梯度SEI层，其内层富含无机的 LiF 以提供高硬度，外层则富含有机柔性成分以提供韧性。在此协同保护下，Li/Li 对称电池的临界电流密度（CCD）突破至 4.1 mA cm-2，并在 0.2 mA cm-2 条件下实现了长达 3000 小时的稳定沉积/剥离。

将该电解质应用于Ah级软包电池中进行系统性评估，也表现出了良好的可逆循环能力。这一系列成果有力地证实了PFEA-DEE在提升高能量密度锂电池的安全性和循环寿命方面具有显著的实用价值，为其从基础研究走向产业化应用奠定了坚实的基础。

Semiphase Separated Polymer Electrolyte with Continuous Li+ Transport and High Mechanical Robustness for Lithium Metal Batteries

张晓琨：苏州国家实验室研究员，2018年于电子科技大学获材料科学与工程博士学位。长期从事基于材料基因工程的固态电池关键材料与器件技术研究，突破了高电压正极循环稳定性、固体电解质离子传导动力学、金属锂负极循环可逆性等方面的材料技术瓶颈，并在薄膜锂电池、高比能锂电池、柔性锂电池等新型储能器件研制中形成材料技术验证。在Adv. Energy. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano等高水平期刊以第一/通讯作者发表论文40余篇，获授权发明专利30余项；在国内外学术会议上做口头报告10余次；2019年获工程院新材料国际发展趋势高层论坛优秀青年科学家奖，2022年获工程院青山湖材料基因工程青年科学家奖。