福州大学郑云教授/张久俊院士JACS：“力学平衡”思想实现Li+“无阻力”超快传导

第一作者：段松

通讯作者：郑云、刘尧、张久俊

通讯单位：福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院、福建省高能电池及新能源设备与系统工程研究中心

固态聚合物电解质（SPEs）因具备柔韧性、易加工性及良好电极界面兼容性而备受关注。（eTransportation, 2024, 20, 100311; Adv. Energy Mater., 2025, e01760; Adv. Mater., 2024, 36, 2314120; Adv. Funct. Mater., 2025, e11011; Adv. Mater., 2025, e05695; Adv. Mater., 2025, e10197; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e202508857; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e202502728）。然而，传统SPEs中强Li⁺−聚合物相互作用和曲折的离子传输途径，导致其锂离子（Li⁺）电导率偏低（室温条件下仅为10⁻⁵ ~ 10⁻⁴ S/cm，迁移数通常 < 0.4），这已成为制约电池性能进一步提升的关键瓶颈。以聚醚类聚合物电解质为例：在离子迁移过程中，Li⁺与醚氧之间存在强烈的相互作用，如同在一条黏滞的跑道上行进，需要克服很高的解耦能垒才能摆脱束缚、向前跳跃，导致Li⁺迁移速度极其缓慢。

近日，福州大学郑云教授/张久俊院士团队受物理学中“力学平衡（Mechanical Balance, MB）”原理启发，提出一种新的聚合物电解质设计策略，通过在SPEs中构建MB区，引入锚定阴离子簇以抵消Li⁺−聚合物之间强相互作用，从而显著降低Li⁺的解耦能垒。进一步结合氟化石墨烯/沸石咪唑骨架-8（FG/ZIF-8）支架与原位聚合的1,3-二氧戊环，构建出定向排列、近零能垒、短路径的Li⁺传导通道。所得电解质在25 °C下表现1.2  mS/cm的卓越离子电导率和0.71的高Li⁺迁移数。基于该电解质组装的Li||LiFePO₄电池在8 C倍率下展现出97.7  mAh g⁻¹的高倍率容量，并在4 C条件下循环3500次后仍能保持81%的初始容量，而且还兼容高电压正极及软包电池体系。该工作提出了“力学平衡”电解质设计的新范式，为高性能准固态电池开发提供了新的思路。

SPEs因其易加工性和优异的电极界面兼容性，在锂金属电池中展现出显著优势。然而，其固有的低离子电导率严重限制了实际应用。传统SPEs中，Li⁺−聚合物链间的强相互作用以及曲折的传输路径导致离子解耦能垒高、传输效率低。尽管通过聚合物共混、交联或引入无机填料等策略可通过减低结晶度以及增加锂盐解离等方面部分提升离子传导，但如何从根本上降低Li⁺解耦能垒并优化传输路径，仍然是亟待解决的关键挑战。

（1）“力学平衡”新概念：为了减弱SPEs中Li⁺传输过程中存在的Li⁺−聚合物间强相互作用，现有策略主要是聚合物链的结构优化，例如引入非锂金属阳离子（如Cu²⁺、Mg²⁺、Al³⁺）、强电负性原子（如F）、具有空间位阻（如甲基）或弱Li⁺相互作用的官能团（如酯基）。然而，这类策略难以从根本上显著甚至完全抵消该相互作用。本研究提出了一种新范式，通过构建受力平衡区（F1 ≈ F2），引入锚定阴离子簇对Li⁺施加反向作用力（F1），精准调控局部化学环境并显著降低Li⁺解耦能垒。

（2）定向排列新结构：针对传统SPEs中因离子迁移路径不连续且曲折导致的Li⁺传输动力学受限问题，本研究将设计的FG/ZIF-8骨架与原位聚合DOL相结合，实现了“力学平衡”区域的定向排列。从而构建出近乎无阻力、连续且短程的Li⁺传输通道。所得定向排列力学平衡聚合物电解质（DAMB-PE）在25 °C下表现出卓越的离子电导率（1.2 mS/cm）和高Li⁺迁移数（0.71），在已报道的SPEs中具有显著竞争力。

（3）高性能准固态电池： Li|DAMB-PE|Li对称电池展现出超过2400 h的循环稳定性，Li|DAMB-PE|LiFePO₄（LFP）准固态电池在4C倍率下循环3500次后仍保持81%的容量，库仑效率接近100%。在6C的高倍率下，循环1500次后容量保持率仍能达到85%。此外，DAMB-PE与高电压LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM523）正极也表现出良好的兼容性，在0.5C下循环400次后容量保持率为82%。Li|DAMB-PE|LFP软包电池同样展现出优异的循环稳定性和安全性能。

作者借鉴磁悬浮列车中电磁力抵消重力的原理，构建了一种“力学平衡”机制。通过在SPEs中引入ZIF-8锚定的TFSI⁻阴离子簇，对Li⁺施加反作用力以动态平衡Li⁺−聚合物间的强相互作用，从而显著降低了Li⁺迁移过程中的解耦能垒，实现近零能垒的“无阻力”传输。

图2展示了定向排列“力学平衡”聚合物电解质的结构设计与表征。核磁共振和红外光谱分析证实了聚合反应的顺利进行，DAMB-PE中单体转化率达88.5%，高于传统P-PE的84.5%。氮气吸附/脱附测试显示聚合后比表面积和孔容显著降低，说明聚合物有效填充了定向骨架间隙。所制备的DAMB-PE膜展现出均匀的元素分布、良好的柔韧性和热稳定性，为其在电池中的实际应用提供了可靠保障。

电化学性能测试表明：DAMB-PE的离子传导性能显著优于P-PE。结合7Li NMR、Raman和GITT分析表明，DAMB-PE中Li⁺与聚合物的配位作用明显减弱，自由Li⁺比例提高，从而有效加速了Li⁺迁移。此外，该电解质表现出显著增强的氧化稳定性，电化学窗口扩展至5.17 V。原位EIS进一步证实，DAMB-PE体系具备具有更低的界面阻抗和更优异的循环稳定性。

通过DFT和MD计算，作者系统揭示了DAMB-PE中的配位结构以及离子迁移机制。DFT结果显示，TFSI−倾向于优先吸附在ZIF-8表面，形成稳定的阴离子簇。在DAMB-PE中，Li⁺的吸附能为−0.45 eV，远低于其在P-PE体系中的吸附能（−1.61 eV），表明Li⁺与聚合物之间的配位作用更弱，迁移能垒更低。MD模拟进一步表明，DAMB-PE中Li⁺的扩散系数显著高于P-PE，验证了其近“无阻力”传导路径的有效性。

在Li||Li对称电池测试中，DAMB-PE体系相较于P-PE体系，能够耐受更高电流密度并展现出更优异的循环稳定性。XPS表征结果表明，DAMB-PE形成的SEI膜富含Li−F、B−F和Li₃N等无机成分，有机物成分较少，从而显著增强了界面稳定性。

DAMB-PE与多种正极均表现出良好的适配性，在Li||LFP和Li||NCM523电池中均展现出优异的循环性能。基于该体系组装的软包电池，在弯曲、切割等极端条件下仍能稳定工作，并成功为LED灯板和手机供电，显示出其在便携式电子设备和新型储能领域良好的应用潜力。

本研究提出了一种定向排列“力学平衡”（DAMB）策略，有效解决SPEs中Li⁺传导性能差的问题。在MB区域中引入反向作用力动态抵消Li⁺−聚合物之间的强相互作用，显著降低Li⁺解耦能垒。通过定向排列MB区域，实现了近乎无阻力、连续且短程的Li⁺传输。所开发的SPEs在Li||LFP和Li||NCM523电池中均展现出优异的倍率性能、容量保持率和循环稳定性。本工作为高性能SPEs设计开辟了新途径，并为先进储能系统和功能材料的开发提供了重要参考。

段松，福州大学化工学院/材料科学与工程学院/新能源材料与工程研究院2022级在读博士生，师从张久俊 院士和郑云 教授。主要研究方向为固态/准固态电解质，目前已发表SCI论文16篇（IF＞15的8篇），其中以第一作者在JACS、Angew、Adv. Mater.（热点，高被引）等期刊上发表SCI论文6篇。入选中国科协青年人才托举工程博士生专项计划（全国首批入选），入选福州大学博创计划，2024威立中国开放科学高贡献作者（Wiley），2025卢嘉锡优秀研究生奖（本年度全国仅20人）。

郑云教授简介：郑云，福州大学教授、博导，入选国家教育部海外引才专项，福建省引才“百人计划”、福建省“闽江学者”特聘教授，2024威立中国开放科学高贡献作者（Wiley），2024、2025全球前2%顶尖科学家（Elsevier/Stanford），2024年度福州大学青年五四奖章（个人）。目前就职于福州大学材料科学与工程学院，担任新能源材料与工程研究院（张久俊院士团队）书记，福建省高能电池与新能源装备系统工程研究中心书记。清华大学博士（导师：张久俊 院士），滑铁卢大学博后（导师：陈忠伟 院士）。长期从事固态锂金属电池（新型柔性固态电解质）方面的研究，共发表SCI论文120余篇，其中以第一或通讯作者在CSR (2篇)、EER、PMS、PNAS、Joule、JACS、Angew. (2篇)、AM (5篇)、AEM (3篇)、AFM (2篇)等期刊上发表论文60余篇，包括10多篇ESI高被引论文、热点文章和封面文章。申请或授权国际和中国发明专利25项，以第一作者发表全英文学术专著1本（CRC Press，2019）、中文学术专著1本（清华大学出版社，2024），主持/参与国家级和省级科研项目10余项。受邀担任国际电化学能源科学院（IAOEES）理事，Renewables，Advanced Powder Materials，Carbon Neutrality，Frontiers in Energy等领域知名期刊青年编委或客座编辑。

个人邮箱：yunzheng@fzu.edu.cn

张久俊教授简介：中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中国化学会会士、中国化工学会会士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学教授、博导，福州大学材料科学与工程学院院长、福州大学新能源材料与工程研究院院长。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO2电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告900余篇，编著书30本，书章节47篇，被引用近10万次（H-Index为142）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编、中国工程院院刊《Frontiers In Energy》期刊副主编、中国化学化工出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。