浙江大学李铁风、周方浩&新加坡国立大学张魏栋Angew：熵驱动助力低温锂金属固态电池！

第一作者：郭俊泽

通讯作者：李铁风，周方浩，张魏栋*

单位：浙江大学，新加坡国立大学

传统固态聚合物电解质（SPEs）在极端环境下的性能严重受限，尤其在低温条件下（如深海、高纬度和高海拔地区）。SPEs在低温环境中实现理想性能面临三大挑战：1）由于锂簇增大和结晶度提高导致离子电导率急剧下降； 2）锂离子去溶剂化受阻，引发高电荷转移阻抗和迟缓的电池动力学； 3）聚合物持续降解，易形成富有机物的固体电解质界面（SEI），阻碍锂离子扩散。为确保SPEs基锂金属电池（LMBs）的低温实用性，目前已提出多种优化策略：1）通过聚合物基体分子设计提升离子电导率；2）添加共溶剂强化去溶剂化过程； 3）利用添加剂和填料调控SEI组成。但单一性能提升（如离子电导率、去溶剂化过程或SEI组成）仍无法充分释放SPEs的低温应用潜力。

浙江大学李铁风（国家杰青）、周方浩团队联合新加坡国立大学张魏栋在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Entropy-Driven Modulation of Ion Clustering and Polymer Crystallinity for Low-Temperature Lithium Metal Batteries”的研究论文，团队成员郭俊泽为论文第一作者，张魏栋、周方浩、李铁风为论文共同通讯作者。

本研究采用多组分策略来增强SPEs的构型熵，使得锂团簇尺寸减小2倍，并抑制了聚合物结晶。这些变化促进了快速的去溶剂化过程，并有利于形成高熵固态电解质界面（SEI）。得益于这些优势，所得聚合物电解质在–20 °C下的离子电导率提高了8.5倍（0.17 mS cm⁻¹）。Li/Cu电池在室温下循环300次后表现出优异的平均库仑效率（CE）为98.59%，并且在温度降至–20 °C后CE几乎保持不变。此外，Li/LiFePO₄电池（N/P = 4）在–20 °C下循环500次（超过248天），容量提高了13倍，平均容量保持率为91.49%。该策略为实际低温应用的高性能聚合物电解质提供了新思路。

提升电解质体系的构型熵（引入多组分锂盐）可以打破单一溶剂化结构的主导地位，使不同溶剂化形态在微观上竞争共存。其直接结果是：一方面，Li⁺与聚合物链上配位位点的强配位被整体削弱，离子间的长程相关性缩短，大型离子团簇被切割为更小、更易迁移的单元；另一方面，聚合物链段周围的局域环境变得更无序，结晶行为受到抑制，非晶相比例上升，链段松弛更为活跃。二者协同让离子传输不再被“强配位—大团簇—高结晶”的三重束缚所限制，传输路径更连续、去溶剂化障碍更低；在低温下仍可维持有效的离子跳迁与链段辅助扩散，从而实现对“团簇尺寸—链段动力学—宏观导通”的一体化调控。

在高构型熵的溶剂化环境中，阴离子更易进入内层溶剂化壳并在界面优先生成分解产物，促使 SEI呈现“组成多元”的特征。并且形成的高熵 SEI更薄且更均匀，包含多种无机相与少量有机相构成的马赛克结构，多相界面提供丰富而均一的 Li⁺ 低能垒通道，降低跨膜迁移阻力。更重要的是，高熵SEI 对温度波动与应力扰动更不敏感，界面副反应被压制，锂沉积更均匀致密，长期循环中的界面化学与力学稳定性同步受益。

得益于小团簇/低结晶与高熵SEI的协同作用，高熵SPE在低温条件下电化学性能提升明显：Li/Cu半电池室温300圈平均CE达98.59%，在−20 °C时仍能达到97.4%；Li/Li对称电池可在3 mA cm⁻²、3 mAh cm⁻²下稳定循环。全电池方面，Li/LiFePO₄在−20 °C的容量提升了13倍，同时在−20 °C（N/P = 4）实现500圈（>248天）稳定循环，平均容量保持率为91.49%。这些性能的提升证实了这种熵驱动方法的稳健性。除电池性能外，该高熵策略不仅为其他类型SPEs（如聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯和聚酯类）的设计提供了新视角，更为实用化低温储能技术提供了极具前景的解决方案。

Entropy-Driven Modulation of Ion Clustering and Polymer Crystallinity for Low-Temperature Lithium Metal Batteries

李铁风简介：浙江大学教授、博士生导师、国家杰出青年基金获得者。2003年考入浙江大学工程力学系，2007年保送进入浙江大学应用力学系攻读固体力学博士学位，师从杨卫院士。2009-2012年获国家公派赴哈佛大学联合培养。2012年8月进入浙江大学应用力学研究所工作，加入浙江大学交叉力学中心（浙江大学第九届研究生“五好”导学团队），负责软体机器人与智能系统实验室。主要研究软物质力学（Soft Matter Mechanics），智能材料结构设计(Smart Material & Stuctures)、软体机器人(Soft Robotics)，水下智能装备（Underwater Equipment）, 医疗康复装置（Healthcare Device）等，提出通过控制力电失稳实现极大电致变形的驱动理论。在国际期刊上发表论文50余篇，包括1篇Nature封面论文，2篇Science Advances论文等，论文引用近8000次，H-index：39。获中国科协青年人才托举工程、科学探索奖（前沿交叉领域）、浙江省自然科学基金杰出青年基金、麻省理工科技评论 科技创新35人（MIT TR35-China）等荣誉。

周方浩简介： 浙江大学百人计划研究员，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。主要研究方向为软物质力学、仿生机器人、水下智能系统等。目前的研究兴趣包括：极端环境下的软材料力学行为、机器学习在水下仿生机器人中的应用、软体系统的多物理场仿真模拟，致力于将软体机器人从“新概念”推向“真实用”。

张魏栋简介：新加坡国立大学博士后，本科毕业于浙江大学化学系，博士毕业于浙江大学化学工程与生物工程学院。研究方向为单颗粒原位光学成像；超分辨单分子荧光；高能量密度锂金属电池；固态电解质等。在国际期刊发表论文近40篇，以第一作者(含通讯)身份发表18篇，其中包含Science Advances，Jacs，Advanced Materials，Angew，总引用数超过3000次，H-index：25。