陈仕谋教授、汪国秀教授， JACS观点：利用聚合电解质的时空动态特性实现耐高压长寿命锂金属电池

第一作者：郝智烨

通讯作者：陈仕谋*，汪国秀*，陈勇*

单位：北京化工大学，悉尼科技大学

相较于传统的固态电解质，原位聚合电解质和电极具有良好的界面相容性，是构建高能量密度固态锂金属电池的重要方向。然而，在匹配高压正极的体系中，残留单体的电化学聚合以及缓慢的离子传输动力学，往往会导致严重的界面副反应和容量衰减。本文展示了一种针对原位聚合电解质的时空调控策略，通过在正极表面构筑自支撑的固态界面保护层，同步实现了界面稳定与体相快速离子传导。该工作揭示了界面化学与离子输运之间的协同机制，为未来设计实用化原位聚合锂金属电池电解质指明了方向，有助于推动聚合物固态电解质领域的进一步发展与实际应用。

近日，来自北京化工大学陈仕谋教授（国家杰青）团队与悉尼科技大学汪国秀教授（澳大利亚科学院/工程院院士）/陈勇博士合作，在国际知名期刊JACS上发表题为”Harnessing Spatiotemporal Dynamics of Polymerized Electrolytes for Durable High-Voltage Lithium Metal Batteries”的研究论文，文章的第一作者是硕士生郝智烨。该研究针对原位聚合电解质中离子传输动力学缓慢及高压正极界面副反应严重的关键难题，提出了一种时空调控策略。通过实现组分的空间优化分布，该策略在正极侧构建了稳固的富阴离子界面，并利用硝酸根离子的持续释放，同步优化了锂金属负极界面与体相离子传输。这项研究为通过精确的时空操控设计实用化固态电解质，从而实现高能量密度、长寿命的固态锂金属电池提供了新的思路。

尽管原位聚合电解质能够实现与电极的良好接触，但其在匹配高压高镍正极（如NCM811）时，界面处会面临严峻挑战。一方面，残留的可聚合单体（如醚基）在高压下易发生电化学聚合和副反应，在正极表面形成厚的聚合物层，导致界面阻抗急剧增加。另一方面，高镍正极在高压充放电过程中固有的Ni2+/Li+阳离子混排和层状结构向岩盐相的相变，加剧了正极劣化。本研究提出的时空调控策略，通过在正极侧引入含氟聚合物框架，诱导硝酸根阴离子优先吸附，原位构筑了稳固的富含阴离子、贫聚合物的正极电解质界面，有效抑制了高压副反应。

传统原位聚合电解质中，缓慢的离子传输动力学和残留单体的反应性同样影响锂金属负极界面稳定性，增加了锂金属负极界面的副反应风险。这一问题在酯类电解质体系中尤为突出，因为酯类聚合物与锂金属的副反应更为剧烈。本研究通过时空工程设计的S-IPE，利用硝酸根离子从正极侧的持续缓慢释放，不仅加速了体相离子传输，这些迁移的硝酸根还能持续优化锂金属负极侧的固态电解质界面（SEI）组成，实现了对锂金属负极界面的动态调控，从而在对称电池中实现了高电流密度（2 mA cm−2）下的长期稳定循环。

原位聚合电解质的一大固有限制是离子传导依赖于聚合物链段运动，导致动力学缓慢。本工作的核心突破在于，通过实现组分的空间优化分布，实现了界面稳定与体相传输功能的解耦。硝酸根离子从正极侧的持续释放，使其从聚合物链段的束缚中解脱出来，承担起快速传输锂离子的任务，从而在不牺牲界面稳定性的前提下，显著提升了体相电解质的离子传输动力学，克服了传统方法中难以兼顾两者的瓶颈。

当前对原位聚合电解质中动态界面的演化机理及其与离子传输的耦合关系认识仍然有限，未来的研究可进一步探索多种功能性组分（如不同阴离子、聚合物）在空间和时间尺度上的精确分布与释放动力学。结合多尺度模拟与原位表征技术，有望在分子尺度上揭示这种自优化界面的动态重构过程。将这种通过空间编程实现功能解耦的时空工程理念推广至其他电池体系，可为设计高能量密度、长循环寿命的实用化固态锂金属电池提供新路径。此外，深入理解聚合物电解质的时空动态特性，有望实现兼具高安全性和高能量密度的固态锂金属电池，推动其实际应用。

Harnessing Spatiotemporal Dynamics of Polymerized Electrolytes for Durable High-Voltage Lithium Metal Batteries

汪国秀教授简介：汪国秀，悉尼科技大学杰出教授、清洁能源技术中心主任，澳大利亚基金委工业桂冠科学家(Australian Industrial Laureate Fellow)，澳大利亚科学院院士，澳大利亚工程院院士，欧洲科学院院士。他是国际电池领域公认的领袖级人物之一，是材料化学、电化学、能量存储和转换以及电池技术方面的专家。目前，担任《Electrochemical Energy Reviews》（Springer-Nature）以及《Energy Storage Materials》（Elsevier）的副主编。研究兴趣包括锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池、锂硫电池以及用于氢生产的电催化。目前已发表900多篇经过同行评议的期刊论文， 包括Nat. Energy, Nat. Cat., Nat. Comm., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., 等高水平杂志。论文被引用超过97000余次，h指数为171（谷歌学术）。被Web of Science/Clarivate Analytics评选为材料科学和化学领域的高被引科学家。