长春理工大学王昕璐、东北师范大学刘东涛ESM：自交联PIM与环糊精协同作用实现超稳定固态锌碘电池- 大数跨境

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长春理工大学王昕璐、东北师范大学刘东涛ESM：自交联PIM与环糊精协同作用实现超稳定固态锌碘电池

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2025-10-28

导读：长春理工大学王昕璐、东北师范大学刘东涛ESM：自交联PIM与环糊精协同作用实现超稳定固态锌碘电池

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文章信息

自交联PIM与环糊精协同作用实现超稳定固态锌碘电池

第一作者：苏洋

通讯作者：王昕璐*，刘东涛*

单位：长春理工大学，东北师范大学

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研究背景

聚合物固态电解质因其优异的热稳定性、良好的机械柔性和易于规模化生产等优势，被认为是下一代高安全性、高能量密度金属电池的理想电解质材料。然而，尽管其在抑制枝晶生长和避免电解液泄漏方面展现出潜力，聚合物电解质在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是在与电极材料的界面相容性、离子电导率不足以及长期循环稳定性方面。特别是在高能量密度电池体系（如锌碘电池）中，锌负极的枝晶生长、多碘化物穿梭效应以及界面副反应等问题严重限制了其实际应用。因此，开发兼具高离子电导率、优异界面稳定性和长循环寿命的固态电解质成为当前研究的重点。本研究通过将热自交联聚合物与环糊精协同结合，成功构建了一种新型复合固态电解质。该电解质不仅利用SCPIM框架提供了优化的离子传输通道和稳定的机械支撑，还通过β-环糊精的非共价锚定作用抑制了PEO链的结晶，显著提升了Zn²⁺的迁移数和离子电导率。实验结果表明，该电解质在对称电池和全固态锌碘电池中均表现出卓越的电化学性能，包括超长的循环寿命和优异的界面稳定性，为解决聚合物固态电解质在实际应用中面临的界面与传输难题提供了新的设计思路。

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文章简介

近日，来自长春理工大学的王昕璐副教授与东北师范大学的刘东涛教授合作，在国际知名期刊《Energy Storage Materials》上发表题为“Ultra-Stable Solid-State Zinc-Iodine Battery Enabled by a Synergistic Combination of Self-Crosslinked PIM and Cyclodextrin”的研究论文。该研究针对固态锌碘电池中锌枝晶生长、多碘化物穿梭效应及固态电解质离子电导率低等关键问题，创新性地开发了一种基于热自交联聚合物与环糊精协同作用的高性能复合固态电解质。该电解质通过构建稳定的离子传输通道并增强界面接触，显著提升了锌离子迁移数与离子电导率，实现了锌对称电池超过6000小时的稳定循环和全电池在1C倍率下20000次循环的超长寿命。本研究为解决固态电池中常见的界面不稳定与离子传输难题提供了新的材料设计策略，推动了高性能固态锌基电池的发展。

图1. 利用 CD 的非共价锚定效应以及 SCPIM 框架内优化的离子传输通道，开发了一种高度稳定的固体电解质（PSPE-CD-SCPIM）。

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本文要点

要点一：锌负极/固态电解质界面

锌负极在循环过程中易产生枝晶和发生不可逆的析氢副反应，这是限制固态锌电池寿命的关键因素。本研究通过构建PSPE-CD-SCPIM复合固态电解质，显著提升了锌离子迁移数（tZn²⁺ = 0.81），促进了锌离子传输，抑制了枝晶生长。同时，该固态体系彻底消除了液态电解液引发的副反应。结果表明，Zn//Zn对称电池在5 mA cm^-2下实现了超过6000小时的超长稳定循环，即使在20 mA cm^-2的高电流密度下也能稳定运行1200小时，展现了卓越的界面稳定性。

Figure 1. a) Schematic illustration of the synthesis of SCPIM via thermal self-crosslinking of PIM-1. b) Solid-state NMR spectra of SCPIM, confirming the structural integrity and crosslinking efficiency. c) FTIR spectra of SCPIM, highlighting the characteristic vibrational modes and functional groups. d) Nitrogen adsorption-desorption isotherms of SCPIM, demonstrating its porous structure and specific surface area. e) Thermogravimetric analysis (TGA) curve of SCPIM, illustrating its thermal stability and decomposition behavior.

要点二：正极/固态电解质界面

在锌碘电池中，多碘化物的溶解和穿梭效应会导致活性物质损失和容量衰减。本研究通过SCPIM框架的物理限域作用与β-环糊精的分子锚定效应，协同抑制了多碘化物的迁移。H型电解槽扩散实验和循环后固态紫外光谱均证实，PSPE-CD-SCPIM能有效阻止多碘化物的穿梭，从而保护锌负极并稳定正极结构。

Figure 2. a) Schematic illustration of the collaborative design strategy combining non-covalent anchoring and framework confinement, enabling PSPE-CD-SCPIM to achieve superior ionic conductivity. b) SEM images and optical photographs of PSPE-CD-SCPIM, highlighting its structural morphology and flexibility. c) DSC curves of PSPE-CD-SCPIM and PSPE, demonstrating the effect of SCPIM and β-CD on the thermal properties of the electrolyte. d) TGA curves of PSPE-CD-SCPIM and PSPE, illustrating their thermal stability and decomposition behavior. e) Arrhenius plots of ionic conductivity for PSPE-CD-SCPIM and PSPE, revealing the temperature-dependent ion transport kinetics. f) Chronoamperometry curve of PSPE-CD-SCPIM, with inset showing the EIS before and after polarization, highlighting the Zn²⁺ transference number. g) Comparative analysis of PSPE-CD-SCPIM with other reported SPEs in terms of Zn²⁺ transference number and ionic conductivity, underscoring its superior performance.

要点三：电解质本体与内部界面

聚合物电解质本体的低离子电导率是另一个主要挑战。本研究通过协同策略解决了这一问题：首先，利用SCPIM刚性框架提供丰富的有效自由体积，构建了高效的离子传输通道；其次，引入β-环糊精防止PEO链结晶，扩大了电解质的非晶区，增强了链段运动能力；最后，添加低熔点PDOL改善了电解质与电极之间的宏观界面接触。该设计使电解质获得了高达9.34 × 10^-4 S cm^-1的离子电导率。

Figure 3. a) Schematic illustration of the interface contact improvement mechanism in PSPE-CD-SCPIM, highlighting the enhanced electrode-electrolyte compatibility. b) LSV curves of PSPE-CD-SCPIM and PSPE, demonstrating the electrochemical stability window of the electrolytes. c) CV curves of the Zn//Cu asymmetric battery, illustrating the Zn deposition/stripping behavior. d) Cycle performance of the Zn//Cu asymmetric battery, illustrating the Zn deposition/stripping behavior. e) Long-term cycling performance of Zn//Zn symmetric batteries assembled with PSPE-CD-SCPIM and PSPE at a current density of 5 mA cm^-2 and an areal capacity of 1 mAh cm^-2. f) Extended cycling performance of Zn//Zn symmetric batteries assembled with PSPE-CD-SCPIM at a high current density of 20 mA cm^-2 and an areal capacity of 10 mAh cm^-2. g) SEM image and XRD pattern of the Zn anode after 100 cycles of plating/stripping at 5 mA cm^-2, demonstrating the stability and uniformity of Zn deposition. h) Comparative analysis of the electrochemical performance of Zn//Zn symmetric batteries in this work with other reported zinc-ion batteries, highlighting the superior cycling stability and performance of PSPE-CD-SCPIM.

要点四：机理研究与前瞻

本研究结合DFT理论计算，从机理上揭示了性能提升的原因：SCPIM框架优化了电荷分布，降低了Zn²⁺扩散能垒；β-环糊精的富羟基结构为Zn²⁺提供了有利的结合位点，二者协同加速了离子传输。这项工作为通过分子设计解决固态电池中的多重界面问题提供了新颖且有效的策略，证明了多功能协同设计在开发下一代高性能固态金属电池方面的巨大潜力。

Figure 4. a) Electrostatic potential map of PIM-1, illustrating the charge distribution and potential energy landscape across the polymer framework. b) Electrostatic potential map of SCPIM, highlighting the enhanced charge distribution and structural stability achieved through thermal crosslinking. c) Electrostatic potential map of β-CD, depicting the charge distribution and potential binding sites for Zn²⁺ within its cavity-rich structure. d) Electrostatic potential map of β-CD, depicting the charge distribution and potential binding sites for Zn²⁺ within its cavity-rich structure.

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文章链接

Ultra-Stable Solid-State Zinc-Iodine Battery Enabled by a Synergistic Combination of Self-Crosslinked PIM and Cyclodextrin

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S240582972500697X

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通讯作者简介

王昕璐老师简介：2012年博士毕业于中科院长春应化所稀土资源利用国家重点实验室，师从王立民研究员，曾在美国伊利诺伊大学香槟分校从事访学研究。2013年加入长春理工大学，现为化学与环境工程学院副教授，硕士生导师，主要从事二次电池中电极材料/电解质的设计、制备与应用基础研究，主持多项省部级科研项目，相关结果在 Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater. , J. Energy Chem. , Chem. Eng. J. 等期刊上发表论文60余篇。

刘东涛老师简介：2012年01月在中科院长春应化所获得高分子化学与物理专业博士学位；2012年02月至2019年11月在中科院长春应化所高分子物理与化学国家重点实验室工作，历任助理研究员/副研究员；2019年12月入职东北师范大学化学学院，教授/博士生导师。近年来，在新型多孔有机聚合物的构筑与应用、极性烯烃高立构选择性均(共)聚合等领域取得一系列创新性研究成果，相关结果在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catalysis, Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., Macromolecules等期刊上发表论文60余篇，被Nat. Rev. Chem., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc.等期刊引用2000余次。作为项目负责人主持国家自然科学基金项目4项，主持吉林省科技厅项目3项，主持中央高校科研业务费”青年人才支持计划“重点培育项目1项，主持东北师范大学人才引进科研启动项目1项，主持高分子物理与化学国家重点实验室自主课题3项。2022年入选吉林省第八批拔尖创新人才。近年来在国内外相关学术会议上做邀请/口头报告20余次。