刘群研究员、叶美丹教授、王煜副研究员，ESM：高性能锂离子电池中聚合物电解质介导的界面化学

第一作者：胡云峰，喻桢璐

通讯作者：刘群*，叶美丹*，王煜*

单位：内蒙古大学，厦门大学，南京航空航天大学

电极/电解质界面的不稳定性已成为制约锂离子电池（LIBs）性能进一步突破的关键瓶颈。聚合物电解质（PEs）凭借其本征高安全性、优异的机械柔韧性且与高比能电池体系兼容性强，展现出良好的发展前景。然而，PEs与电极之间复杂的化学/电化学不稳定性仍严重阻碍其实际应用。因此，深入解析界面作用机制并开发能够精准调控界面的高性能PEs具有重要意义。本文系统总结了聚合物电解质/电极界面的先进调控策略，旨在明确未来的研究方向，以加速聚合物电解质的进一步发展。

近日，内蒙古大学刘群研究员联合厦门大学叶美丹教授和南京航空航天大学王煜副研究员在知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Polymer electrolyte-mediated interfacial chemistry for high-performance lithium-ion batteries ”的综述文章，重点讨论了先进聚合物电解质在界面调控中的应用，尤其关注电极/电解质界面，并汇总了近期在相关界面问题上的研究进展。

PEs的功能性与稳定性是电池获得可靠性能与安全性的前提：聚合物基体提供骨架与离子通道，锂盐提供可迁移载流子，两者协同决定一系列关键属性。其中，Li⁺传输能力由离子电导率和锂离子迁移数共同表征；力学性能既要具备足够模量以抑制锂枝晶和颗粒穿刺，又需保持柔韧以缓冲体积变化并维持界面接触，高结晶度或高交联虽能增韧，却会抑制链段运动、降低电导，因此需在强度与导离性之间取得平衡。良好的热稳定性保障宽温运行并降低热失控风险；宽电化学稳定窗口（约 4–5 V）有利于匹配高电压正极、提升能量密度。与此同时，电解质与电极的界面相容性—包括润湿性以及抵抗副反应和体积应变的能力，这直接影响界面阻抗与循环稳定性。基于不同导电机理与组成特征，PEs 通常被划分为凝胶聚合物电解质（GPEs）、全固态聚合物电解质（SPEs）以及无机填料增强的GPEs/SPEs复合体系。

在采用PEs的锂离子电池中，正极/电解质界面主导电荷转移、电解质分解及正极结构衰减，其重要性尤为突出。该界面面临三类关键挑战：一是物理接触不足，高负载多孔正极内电解质浸润不充分，需通过单体原位聚合和“正极–电解质一体化”结构重构连续 Li⁺ 传输网络；二是电化学稳定性有限，高压下易形成有机富集、力学脆弱的 CEI，可利用 LiBOB、LiDFOB 等硼酸盐类锂盐优先氧化，在正极表面构筑富含 LiF/硼酸盐网络的无机富集 CEI，并结合聚合物/陶瓷/凝胶构成能级匹配的多层电解质以拓宽稳定窗口；三是电极与聚合物电解质间电化学势差诱导空间电荷层（SCL），抬升界面阻抗，可通过在电解质中引入高介电常数填料或在正极表面沉积超薄介电缓冲层来削弱 SCL。围绕这三点开展精细界面工程，是高能量密度电池提升性能的关键路径。

在聚合物电解质锂电池中，碳、金属锂、硅基及合金负极虽各具优势，却共同面临严重的界面失效。PEs 体系中，界面锂沉积不均叠加电解质力学强度不足，枝晶易贯穿膜层引发内短路，其形成与电解质的力学、理化性质及界面稳定性密切相关。因此，当前研究主要围绕四个方向展开：一是通过锂盐阴离子和聚合物的可控还原分解，构筑成分均一、化学稳定且 Li⁺ 高导的 SEI；二是引入高模量陶瓷填料或中间层（如 LiPON）、调控聚合物纳米结构或构建 3D 锂负极等，增强界面机械强度；三是调节聚合物配位环境和缺陷结构，实现 Li⁺ 通量均一化，减弱局部电流“热点”和浓差极化；四是阴离子固定及溶剂化/脱溶剂化结构调控，提高 tLi⁺ 并优化 SEI 组成与锂沉积形貌，从而系统抑制枝晶生长，提升循环寿命与安全性。

面向高性能聚合物电解质锂电池的未来发展，一方面需要借助原位表征，从多尺度实时解析聚合物电解质在聚合及充放电过程中的结构与界面演化：例如利用原位同步辐射 XRD 监测界面相与晶格变化，XAS 揭示 Li⁺在聚合物中的溶剂化与配位环境，XCT 三维成像电解质形变和界面孔隙生成，振动光谱表征结晶度、链构象及添加剂作用，从而诊断界面相容性、Li⁺传输均匀性及 SEI/CEI 稳定性；另一方面，要实现高倍率快充，需同时优化电解质中 Li⁺迁移、固相扩散和界面电荷转移，针对当前 PEs 的 tLi⁺偏低、离子传输通道不均一及与高容量电极界面匹配性不足等问题，可通过调控电解质组分与界面化学加以缓解，例如引入 FEC、LiBOB 等少量添加剂在电极表面优先形成致密均匀且结构稳健的 SEI/CEI，并选用高电压下不易分解的锂盐体系抑制副反应，从而在快充条件下维持更稳定的界面和更均匀的Li⁺通量分布；同时，面对“聚合物-锂盐-添加剂-正/负极”的庞大组合空间，有必要构建以机器学习为核心的数据驱动优化框架，系统收集聚合物化学结构与介电常数、锂盐浓度与阴离子电荷特征、电极材料组成与容量/电压窗口、界面电阻与过电位演变以及整电池循环与快充性能等特征，通过初步实验筛选与特征重要性分析训练合适的ML模型，并以容量保持率、库仑效率、界面阻抗增幅和快充性能等为目标输出，实现对不同PEs-电极组合性能的快速预测与高效筛选。

Polymer electrolyte-mediated interfacial chemistry for high-performance lithium-ion batteries,

刘群，内蒙古大学，能源材料化学研究院，研究员/博士生导师。博士毕业于香港理工大学并留校开展博士后研究，2024年12月加入内蒙古大学赵东元院士领衔创建的能源材料化学研究院，主要从事无机纳米材料和聚合物的合成及其在电化学界面调控方面的研究工作，在Adv. Mater. (2), Adv. Energy Mater. (2), Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater.(3) 等期刊上发表论文 30 余篇。担任Nano-Micro Lett., Energy Mater. Dev., Carbon Neutralization, Battery Energy, EcoEnergy等期刊青年编委。获香港理工大学“Outstanding PhD Thesis Award”, “PolyU Distinguished Postdoctoral Fellowship”等，内蒙古自治区“英才兴蒙”引进人才，内蒙古大学“骏马计划”B2岗引进人才。 

叶美丹，厦门大学，物理科学与技术学院教授，研究领域包括微纳米功能材料的可控合成和机理研究，电化学储能器件以及可穿戴生物传感器的制备研究。在J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Nano Lett., Energy Storage Mater.等期刊发表论文80多篇，出版相关英文专著兩本和专著章节四篇，文章他引5400余次，H因子37。

王煜，副研究员，先后于南京大学物理学院、浙江大学光电科学与工程学院、香港理工大学电子及资讯工程学系获得理学学士、工学硕士和工学博士学位。博士毕业后继续在香港理工大学从事博士后研究，并于2025年8月加入南京航空航天大学电子信息工程学院。主要从事微结构光纤、超构表面及微波光子系统及其在电池传感领域的应用研究。已在《Advanced Energy Materials》、《Journal of Lightwave Technology》、《Optics Letters》等期刊发表学术论文20余篇，并担任《Optics Express》、《Applied Optics》等光学领域国际期刊的审稿人。