河南师大刘代伙副教授、李苞教授&东北师大吴兴隆教授AFM：氢键促进复合固态电解质中的锂盐解离，改善固态锂电池循环寿命

第一作者：代冬梅、闫鹏瑶

通讯作者：刘代伙*，李苞*，吴兴隆*

单位：河南师范大学，东北师范大学

固态锂金属电池被认为是突破当前锂离子电池能量密度极限的最有希望的储能技术之一。然而，聚合物电解质在室温下低的离子电导率和差的电极/电解质界面稳定性，已成为固态锂金属电池（solid-state lithium metal batteries，SSLMBs）实际应用的主要障碍。近年来，固态聚合物电解质（如聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯等）具备易加工、优秀的粘弹性、高的机械韧性等特征，被认为是一种很好的解决方案。然而，这些聚合物电解质在室温表现出较低的Li⁺电导率（<10⁻⁴ S cm⁻¹）。因此，开发一种具有高离子电导率、优异界面稳定性和宽电压稳定窗的新型固态聚合物电解质对提升SSLMBs的性能和应用至关重要。

基于此，来自河南师范大学的刘代伙副教授、李苞教授与东北师范大学的吴兴隆教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Hydrogen Bonds Boost Lithium Salt Dissociation in Composite Solid-State Electrolyte: Enhanced Cycling Life of Lithium Metal Batteries”的研究文章。该工作构建了具有三维氢键网络的复合固态电解质，进而有效增强了锂盐解离和改善了锂金属电池的循环寿命，同时厘清了锂离子在氢键网络中的传输机制和输运动力学行为。本篇文章中，热塑性聚氨酯（TPU）通过氢键与聚偏氟乙烯（PVDF）交联，并与 Li_1+xAl_xGe_2−x(PO₄)₃（LAGP）结合形成一种新型的复合固态电解质（简称为 TPLL）。实验表征和理论计算表明，TPLL 中丰富的三维氢键网络有效地增加了锂氧配位数，并促进了锂盐的解离，在 25°C 时具有 0.182 mS cm^-1的高离子电导率。该TPLL具有宽电压窗口（>5V）和良好的界面兼容性。这种三维氢键交联网络助力锂盐解离和快速锂离子传导的策略为改善固态电解质的性能提供了一条新的渠道。

图1. TPLL复合固态电解质的制备过程及其TPU与PVDF和LAGP间的相互作用机理。

热塑性聚氨酯（TPU）与聚偏氟乙烯（PVDF）间通过氢键相互作用交联，并将Li_1+xAl_xGe_2−x(PO₄)₃ (LAGP)陶瓷填料均一分散于期中，形成一种具有丰富三维（3D）氢键网络的新型复合固态电解质（TPLL）。TPLL中的丰富3D氢键网络有效增加了Li─O配位数，促进了锂盐的解离，从而在25°C下实现了0.182 mS cm⁻¹的高离子电导率。而PVDF中的丰富F基团有效构建了稳定的电极/电解质界面，使其对称Li/Li电池在室温下以0.1 mA cm⁻²的电流密度稳定循环超过600小时。组装的Li/TPLL/LiFePO₄全电池在室温下表现出优异的长期循环稳定性（稳定循环500次），每次循环衰减率仅为0.016%。

要点二：TPLL复合固态电解质的特性

通过FTIR、DSC、Raman等光谱分析以及SEM、AFM等形貌表征，证实了TPLL电解质具有低结晶度、高离子解离度和良好的界面接触性。此外，‌分子动力学模拟结果表明，TPU和PVDF之间的相互作用有效促进了LiTFSI中Li⁺的解离，从而促进了电解质中的锂离子的传输动力学。更重要的是，TPLL电解质也呈现出宽的电压稳定窗口（超过5V），也适配于高压NCM811正极，并表现出良好的循环性能。

要点三：氢键交联复合固态电解质的提升机制

氢键交联策略是一种通过动态氢键网络构建固态电解质结构的调控方法，其核心在于利用氢键的‌可逆性‌、‌方向性‌和‌动态响应性‌实现复合固态电解质TPLL的可控组装、离子传输通道与界面稳定性，其键能介于共价键和范德华力之间。如本文中热塑性聚氨酯（TPU）与聚偏氟乙烯（PVDF）通过氢键协同作用构建三维氢键网络，增强材料机械强度和离子传输通道。通过氢键网络提升锂离子传输效率与界面兼容性，推动高能量密度SSLMBs发展。综上，本文成功构建了一种具有丰富氢键网络的新型复合固态电解质TPLL，进而显著提升了电解质的离子电导率和界面稳定性，为固态锂金属电池的发展提供了新的材料选择和设计思路。

Hydrogen Bonds Boost Lithium Salt Dissociation in Composite Solid-State Electrolyte: Enhanced Cycling Life of Lithium Metal Batteries, Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2503696.

刘代伙：河南师范大学化学化工学院副教授，平原学者-青年英才，博士生导师。2018年获得东北师范大学理学博士学位，2019-2020年在加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士课题组从事博士后研究工作。长期致力于廉价、高安全先进二次电池关键电极材料和固态电解质研发，主持国家自然科学基金面上项目和青年基金项目。以第一或通讯作者在Advanced Materials（2篇）、Chemical Society Reviews、Advanced Functional Materials等高水平国际期刊发表SCI论文28篇，以第一发明人获授权发明专利15件。担任eScience、Chinese Chemical Letters、Advanced Powder Materials、Energy & Environmental Materials、Carbon Neutralization、Green Carbon、Carbon Neutrality、Tungsten和cMat等高水平国际期刊青年编委。

代冬梅：博士，河南师范大学化学化工学院高级实验师，硕士生导师。研究方向是高比能锂/钠离子电池正极材料开发。获得国家自然科学基金青年基金1项，以第一或者通讯在Advanced Functional Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A、 Chemical Communications等发表SCI论文20余篇，国家授权专利1项。多次获得河南省教育厅优秀科技论文奖和河南省自然科学优秀学术论文奖。