东北师范大学谢海明教授、丛丽娜博士CEJ:设计分子构型实现双向稳定的准固态聚合物电解质用于高电压锂金属电池

第一作者：陈思林

通讯作者：丛丽娜*，谢海明*

单位：东北师范大学

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锂金属电池（LMBs）因锂负极的高理论容量（3860 mAh g^-1）和高镍正极（如LiNixCoyMnzO₂）的高电压特性，被认为是下一代高能量密度电池的候选者。然而，传统液态电解质易燃且与锂负极界面兼容性差，易引发热失控。固态聚合物电解质（SPEs）虽能提升安全性，但其氧化稳定性（高电压正极侧）与还原稳定性（金属锂负极侧）的内在矛盾限制了其在高电压（>4.3 V）场景的应用。准固态聚合物电解质（QPEs）通过引入液态增塑剂平衡离子电导率和界面接触，但增塑剂的副反应和溶剂化-界面（solvation-interphase）关联机制未被充分研究。

基于此，东北师范大学谢海明团队在Chemical Engineering Journal期刊上发表了一篇题为Contriving Molecular Configuration to Realize a Bidirectionally Stable Quasi-solid Polymer Electrolyte for High-voltage Li Metal Batteries的研究型文章。为了实现具有优异循环性能和高安全性的高电压锂金属电池，通过一步紫外光引发交联聚合巧妙地制备了一种双向稳定的准固态聚合物基电解质（BSQPE），其由高浓度砜基增塑剂（LE, 3.5 M LiTFSI in SL + 0.4% LiNO₃）嵌入到甲基丙烯酸异氰基乙酯（IEM）基聚合物骨架中。在正极侧，通过BSQPE建立一种结构良好且坚固的CEI层，包括类似聚酰胺的(-N-C=O)有机物和富Li₃N、LiF的无机物，这种组合可以抑制NCM622表面结构的降解并抑制过渡金属离子溶解。在负极侧，由BSQPE衍生的平坦且致密的富含LiF、低价硫Li₂S的SEI层实现了锂金属表面快速且均匀的Li⁺沉积。

通过设计含丰富极性基团（-N=C=O、-O-C=O）的聚合物骨架，BSQPE为Li⁺提供多重配位环境，不仅促进锂盐解离和Li⁺快速传输，还通过调控溶剂化结构形成以接触离子对（CIP）为主的配位模式，其Li⁺迁移能力显著优于液态电解质中聚集态（AGGs）主导的溶剂化结构。

用BSQPE组装的高电压锂金属电池具有出色的循环耐久性（在0.5 C下1000次循环时88.7%的容量保持率）和倍率能力（在2.0 C下136.2 mAh g^-1）,并且在4.5V高压下循环100次无容量衰减；软包电池在90°弯折下仍稳定运行，初始容量达170 mAh g^-1，兼具高能量密度、长寿命及优异安全性，展现了高压高倍率锂金属电池的实用化潜力。

在聚合物骨架中引入抗氧化的–N=C=O基团，还能有助于构建稳定的CEI界面层，具有类似聚酰胺（–N–C=O）的有机组分及高比例的无机组分（LiF、Li₃N），兼顾界面离子传导与电子绝缘性，从根本上抑制高电压下的正极结构坍塌和过渡金属离子溶解，保障了电池的长循环性能。

BSQPE电解质通过优化锂负极界面动力学显著提升了锂金属电池的循环稳定性。得益于BSQPE中Li⁺的多重配位环境，BSQPE建立了均匀的Li⁺沉积通量。其次，以CIP为主的溶剂化结构驱动了BSQPE在金属锂负极表面形成平坦且致密的富含LiF、低价硫Li₂S的SEI层，兼具高离子传导与电子绝缘性，抑制枝晶生长，有利于实现均匀快速的Li⁺沉积。