浙江大学李铁风/周方浩/范修林｜AFM：交叉力学视角下的固态聚合物电解质设计，破解“强—韧—导”三角矛盾

第一作者：邹玮枫

通讯作者：范修林*，周方浩*，李铁风*

单位：浙江大学

用于锂金属电池（LMBs）的固体聚合物电解质（SPEs）长期被一个“强—韧—导”的三角矛盾所掣肘：既要具备足够的力学支撑以抑制锂枝晶，又要保持韧性以贴合并稳定界面，还要提供可观的离子电导与良好工艺性，而这些需求往往彼此牵制。传统强溶剂成膜常诱导不连续相（如微球堆积/相分离）形成，使机械承载与离子传输路径被割裂，产生“孤岛效应”。为提升电导而引入陶瓷填充或增塑/凝胶化等策略虽能改善部分指标，却容易伴随填料团聚与相分离、能量密度受损或力学性能被显著牺牲，导致综合性能再次失衡。

本工作提出溶剂–聚合物相互作用工程的新思路：通过溶剂溶解能力与浓度的精准调控，引导 PVDF-HFP 经历可控的“溶液–凝胶–固体”转变，构筑分层网络结构的 SPE。中等溶解能力溶剂在高浓度下触发物理交联，形成兼具连续介观孔隙的致密骨架与微观弱结合的溶剂化结构，实现机械与传导通道的协同耦合。最终电解质在保持2.93 mS·cm⁻¹高离子电导的同时，实现数量级力学增强（模量 6.8→44.88 MPa，强度 0.56→5.55 MPa，断裂能 0.7→66.8 kJ·m⁻²），并支持 Li||Li 超过 10,000 h 稳定循环；锂|LiFePO₄ 袋式电池 200 次循环后容量保持 90.6%。该策略可迁移至多种溶剂体系，为兼顾机械完整性与电化学功能提供通用路径。

近日，李铁风教授、周方浩研究员和范修林教授团队从交叉力学视角出发，在学术期刊 Advanced Functional Materials（AFM） 上发表题为“Robust and Conductive Polymer Electrolytes via Solvent-Guided Hierarchical Network Formation”的研究论文，提出一种“溶剂—相互作用工程”策略，构建兼具高强度、高韧性与高离子电导的固体聚合物电解质（SPE）。该工作针对锂金属电池中SPE普遍存在的“强—韧—导”难以兼得问题，揭示了传统强溶剂工艺导致的相分离/微球堆积结构会割裂力学承载与离子传输通道的“孤岛效应”，并通过溶剂引导的可控结构演化实现传导路径与力学框架的协同构筑，为高安全、长寿命锂金属电池提供了新的材料设计范式。

传统PVDF-HFP固态聚合物电解质多用高极性强溶剂浇铸，易形成微球堆积的疏松多孔结构，割裂离子通道、削弱力学并诱发失活锂与枝晶；且强溶剂对锂金属热力学不稳定，残留溶剂会腐蚀负极。为同时兼顾强度、韧性与离子传导，本研究提出“溶剂–聚合物相互作用引导的相态调控”：选择处于“过渡溶解窗口”(SP≈8.2–8.8)且低偶极的溶剂，在高浓度下触发物理交联，使体系经历“溶液–凝胶–固体”转变，锁定连续缠结网络并抑制微球成核。筛选后保留THF/DME，验证THF体系在高固含下呈凝胶特征，最终获得连续网络SPE，实现力学与电化学协同提升。

N-SPE拉伸强度5.55 MPa、模量44.88 MPa，断裂伸长448%，较M-SPE分别提升约10×、6×、32×；压痕模量/硬度升至133.5/3.2 MPa，韧性达66.8 kJ·m⁻²（>100×）。虽结晶度降至11.1%使微观模量略低，但连续缠结网络在100次拉伸循环中仍保持小滞后与良好回弹。Gibson-Ashby分析显示C>1，表明连续多孔网络高效传载，破解刚度-韧性权衡，并兼具多孔快速离子通道。

研究团队发现，N-SPE的电化学提升并非来自更多残余溶剂（与M-SPE残溶均约13 wt%），而源于“结构+微环境”的协同优化：宏观致密化消除贯穿缺陷，亚微米尺度形成连续均一的微/纳孔网络，提供低阻、连通的离子通道并提升载荷传递效率，从而缓解刚度—韧性权衡。与此同时，THF残溶构建弱相互作用溶剂化环境，使溶剂化结构由CIP/低阶聚集转向高阶聚集，降低Li⁺去溶剂化能垒并加速再配位；N-SPE的迁移活化能降至0.230 eV，室温电导达2.93 mS·cm⁻¹（约为M-SPE的10倍），Li⁺迁移数亦提升至0.23。上述两方面共同实现力学与离子传输的协同增强。

研究团队指出，THF在传统浇铸中常被视为“惰性载体”而非结构调控手段；本工作揭示溶剂—溶质相互作用可作为相态调控杠杆，并以THF验证这一策略。进一步面向应用，团队提出多溶剂路线：以THF为主溶剂，微量引入DMSO/NMP/DMF作为辅溶剂，前驱体室温仍形成物理交联凝胶并得到介观致密的N-SPE，同时可调控残余溶剂含量。以N-SPE/TDMF用于高负载NCM811电池，初期容量>200 mAh g⁻¹且约30圈几乎无衰减，但残余DMF长期会腐蚀锂负极导致容量骤降。除THF外，单溶剂DME也可制备N-SPE，表明该“相互作用调控”策略可跨单/多溶剂体系通用，无需复杂合成且兼顾力学与电化学性能，并有望提升软包电池装配与安全性。

“Robust and Conductive Polymer Electrolytes via Solvent-Guided Hierarchical Network Formation”

范修林简介：浙江大学长聘教授，博士生导师，国家自然科学基金青年项目A类（原国家杰出青年基金）获得者。主要从事二次电池（包括锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等）等能源存储器件的界面工程及相关电解液/电解质的设计研究，在Nature, Science, Nature Nanotech., Nature Mater., Nature Chem., Nature Energy等期刊发表SCI论文200余篇,引用次数>40000,h-index=99。连续6年入选“科睿唯安（Clarivate）”全球高被引学者，入选2020年中国新锐科技人物。研究成果先后被Nature, Science, Nature Mater., Nature Nanotech., Nature Energy, C&EN, Science Daily, Engineering 360, TechXplore, R&Dmag，人民网等国际顶级期刊和国际、国内知名媒体报道，受到广泛关注。

周方浩简介：浙江大学百人计划研究员、博士生导师，2024年6月进入浙江大学航空航天学院应用力学研究所、交叉力学中心工作。浙江大学基础交叉研究院（筹）海洋+交叉板块成员。研究领域主要包括软物质力学、仿生机器人、水下智能系统。以第一/通讯作者发表SCI论文十余篇，包括一篇Nature封面论文，相关成果入选2021年度中国科学十大进展（自供电软机器人成功挑战马里亚纳海沟）。

李铁风简介：浙江大学基础交叉研究院（筹）常务副院长，求是特聘教授，博士生导师。从事软物质力学与智能机器人系统研究，在国际期刊上发表论文百余篇，包括2篇Nature封面论文，1篇Science论文等。实现了无外壳软体机器人在马里亚纳海沟万米深海探索，相关成果入选2021年度中国科学十大进展。曾获国家自然科学基金青年A类项目（原杰青）、中国五四青年奖章、首届科学探索奖、首届周培源力学青年奖等荣誉。

邹玮枫简介：浙江大学博士研究生，研究领域主要包括水下智能系统，水下电池系统，聚合物固态电解质，锂金属电池等。