成都理工胡安俊/龙剑平&北京化工陈仕谋AEM：三元分子协同解锁离子输运新机制！阻燃准固态电解质助力高安全锂金属电池

第一作者：Kun Li (李锟)

通讯作者：Anjun Hu (胡安俊), Jianping Long (龙剑平), Shimou Chen（陈仕谋）

通讯单位：成都理工大学；北京化工大学

离子液体（IL）基准固态聚合物电解质（QSPEs）因其可调的电化学性能和优异的加工性，被视为高安全锂金属电池的理想选择。然而，传统设计策略未能充分协调“组分-功能-界面”之间的协同作用，导致锂离子传输效率低下及安全隐患。本研究提出三元分子协同范式，成功解耦阻燃QSPE中的锂离子传导机制，为下一代固态电池开辟新路径。

成都理工大学胡安俊研究员/龙剑平教授团队联合北京化工大学陈仕谋教授在能源材料顶级期刊Advanced Energy Materials（IF：24.4）发表题为“Decoupled Ion Transport via Triadic Molecular Synergy in Flame-Retardant Quasi-Solid Electrolytes for Safe Lithium Metal Batteries”的研究成果。该研究通过三元分子协同策略，构建了一种高性能阻燃准固态电解质（F-PIL）：季戊四醇四丙烯酸酯-双（三氟甲基磺酰基）亚胺锂（LiTFSI）提供了结构框架，而作为增塑剂的IL（1-丁基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰基）亚胺，BmimTFSI）通过削弱分子间作用力软化了聚合物链，从而在赋予阻燃特性的同时提供了额外的离子传输途径。此外，添加剂（2-（全氟己基）乙基甲基丙烯酸酯，PFMA）的高电负性氟原子通过电子云迁移促进了LiTFSI的解离，同时固定了TFSI-阴离子，并通过PFMA-Bmim⁺的强配位抑制了阳离子竞争。因此，这一协同设计不仅优化了离子传输路径，还赋予了材料卓越的阻燃性能。本研究通过分子协同设计突破传统电解质性能瓶颈，为高安全性准固态锂金属电池的开发提供了创新范式。

图1 F-PIL分子级三元协同策略示意图

本研究通过原位聚合法成功制备了氟化聚合物封装离子液体的准固态电解质（F-PIL），以PETEA/LiTFSI为基体，引入含氟功能侧链PFMA和增塑剂BmimTFSI，实现材料性能优化。实验表明，当LiTFSI浓度为0.5 M、PFMA含量为5 wt%时，F-PIL在室温下离子电导率达1.84 mS cm⁻¹，锂离子迁移数提升至0.72，显著高于传统聚合物电解质。XRD与DSC分析显示，BmimTFSI的引入促使体系结晶度降低并形成无定形主导的准固态结构，同时PFMA中C−F键赋予材料高氧化稳定性（4.3 V）及低温链段运动性（Tg=−47.09 ℃）。此外，F-PIL展现出优异的机械性能（断裂强度4.7 MPa，伸长率54%）和均匀致密结构，且弯曲无开裂。该研究通过功能组分协同设计，为兼具高离子传导性、稳定性和柔韧性的固态电解质开发提供了新策略。

图2 F-PIL的构建、结构表征及性能对比

要点2：F-PIL的热稳定性评价

研究通过热重、TG-FTIR及锥形量热等分析揭示了F-PIL的热稳定性与阻燃机制。得益于C−F键的高键能及BmimTFSI的引入，F-PIL热分解温度提升至340°C，且燃烧时形成致密有序的炭层（拉曼ID/IG=0.84），通过物理屏障效应抑制火焰传播。TG-FTIR显示其−COOR分解峰延迟至430°C，热释放速率（HRR）和总热释放量（THR）显著低于PS，点燃时间延长至105秒。XPS证实炭层富含C−F、N−S等键，表明PFMA和BmimTFSI协同促进成炭并抑制有毒气体释放。F-PIL在提升热稳定性、阻燃性及降低火灾毒性方面表现优异，为高安全锂电池电解质设计提供了理论支持。

图3 F-PIL的热稳定性及机理分析

要点3：解离行为和离子传输特性

研究通过光谱分析（FTIR、拉曼、NMR）、DFT计算及分子动力学模拟，揭示了F-PIL中LiTFSI的高效解离机制与Li⁺传输优化路径。相较于传统PIL，F-PIL的Li⁺−TFSI⁻配位减弱（紧密离子对占比降低至17.58%），解离能下降（4.89 eV），游离Li⁺比例显著提升。NMR与MD模拟表明，Li⁺配位环境异质性减少，扩散系数提高50%（达4.18×10⁻⁸ cm² s⁻¹）。PFMA的氟化侧链通过静电排斥限制TFSI⁻迁移，同时Bmim⁺的受限运动进一步降低Li⁺传输阻力。这些协同效应使F-PIL兼具高Li⁺迁移率与低离子重组倾向，为设计高离子电导率、高稳定性的固态电解质提供了理论依据。

图4 F-PIL的解离行为及离子传输特性

要点4：F-PIL的电化学性能和安全性

在电化学性能方面，F-PIL在锂对称电池中表现出高Li⁺传输能力、低界面阻抗和活化能，循环稳定性优异，在Li||LiFePO₄和Li||LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂全电池中，其循环寿命和倍率性能均显著优于PIL电解质电池。通过IS-GEIS和GITT测试可知，F-PIL能降低电荷转移电阻，促进Li⁺扩散，缓解电化学极化。在安全性上，F-PIL通过凝聚相阻燃机制提高了电池的热稳定性和阻燃性，可有效抑制电池燃烧和热失控，同时在锂金属界面形成稳定的SEI膜，抑制锂枝晶生长，提升电池的安全性和可靠性。

图5 F-PIL 与锂金属的界面稳定性及锂沉积行为

图6 电极/电解质界面的形态结构与组成成分

图7 全电池中的电化学性能及动力学研究

本研究提出的三元分子协同策略有效整合了聚合物盐、离子液体和含氟共聚物添加剂的优点，开发的F-PIL电解质具有良好的离子电导率和高锂离子迁移数，在多种电池中表现出优异的电化学性能，并通过凝聚相阻燃机制提高了电池安全性，为高安全性准固态锂金属电池的发展提供了新范式。