崔光磊研究员、赵井文研究员、张尧剑， ACS Energy Letters观点：共熔聚合物电解质再添一块新拼图

第一作者：卢国立，牛嘉平，杜晓番

通讯作者：赵井文*，张尧剑*，崔光磊*

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东能源研究院

可充电多价阳离子电池因其潜在的高能量密度和丰富的资源储备而备受瞩目。然而，传统液体电解质电池面临着电解质泄漏、阴极溶解以及金属阳极腐蚀等严峻挑战，这些问题严重制约了电池的循环性能，使得其难以满足日益增长的高性能电池需求。固体聚合物电解质（PEs）的兴起为解决这些问题带来了曙光，但其自身也面临着诸多技术难题，其中多价阳离子在聚合物中的传导效率低下一直是限制其发展的关键瓶颈。

中国科学院青岛能源所崔光磊研究员团队创新性的提出了共熔聚合物电解质体系，深耕内在作用机制，取得了一系列突破性成果，为高性能电池的研发注入了新的活力。

Figure 1 聚阳离子电解质中共熔扰动策略

最新研究成果深入探讨了盐浓缩聚阳离子电解质中多价阳离子结构扩散动力学受限的问题，并提出了一种共熔扰动策略（Figure 1）（ACS Energy Lett., 2025, 10, 296-304）。在这项研究中，通过在Zn²⁺-阴离子聚集体中巧妙引入双极性配体乙酰胺（PZA_0.6），成功削弱了Zn²⁺迁移过程中阴离子的束缚作用。而且这种策略促进了微相分离，形成了独立于聚合物骨架的长程离子传输通道。实验数据令人振奋，在30°C时，离子电导率大幅提升了3个数量级，达到2.4 × 10^-5 S cm，接近单价阳离子的传导水平，同时Zn²⁺迁移数高达0.46±0.02。基于该电解质的锌金属电池展现出卓越的循环稳定性，为高性能电池的实际应用提供了坚实的技术支持。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）、固态核磁共振（ss-NMR）和拉曼光谱等技术揭示了离子间相互作用的微妙变化。FTIR结果清晰地显示，乙酰胺的加入显著改变了TFSI阴离子中O=S=O和-CF3的振动峰位，这表明离子缔合作用发生了明显变化；ss-NMR则证实了乙酰胺与Zn²⁺之间的配位作用以及与TFSI-之间氢键的形成。拉曼光谱分析进一步表明，乙酰胺的引入有效降低了阴离子-阳离子的聚集程度，极大地促进了离子的解离。此外，差示扫描量热法（DSC）、透射电子显微镜（TEM）和小角X射线散射（SAXS）等技术为我们深入探究体系的相行为变化提供了有力依据。DSC结果表明，乙酰胺的加入对聚合物的玻璃化转变温度影响甚微，这意味着其主要作用于离子配位而非直接塑化聚合物；TEM和SAXS结果直观地展示了微相分离的显著增强，形成了有利于离子传导的纳米级离子域。分子动力学（MD）模拟则从原子尺度上详细解析了共熔扰动的作用机制，进一步证实了乙酰胺对Zn²⁺配位环境的改变以及对离子通道形成的积极促进作用。

Figure 2 聚合配体溶剂化离子基团

2022年，团队将聚合配体（聚丙烯酰胺）与小分子同类配体（乙酰胺）按化学计量比整合到Zn²⁺中心，构建了异质配位聚合物电解质（HCPEs）（Chem. Mater., 2022, 34, 8975−8986）。这种独特的异质配位结构能够形成熵增的离子通道，赋予离子基团动态活性，同时加速聚合物链段的运动。实验结果显示，HCPE在30 °C时的Zn²⁺迁移数显著提升至0.44，电导率达到0.47 × 10^-4 S cm^-1，相比传统的仅由聚合配体溶剂化Zn²⁺的均配型聚合物电解质提高了2个数量级以上。基于HCPE的固态锌金属电池表现出卓越的性能，如锌对金属电池循环长达1200小时，在Mo6S8阴极全固态锌金属电池中循环寿命可达350次，库伦效率接近99%。

Figure 3 聚阴离子电解质—双极性配体共熔化学

2023年，团队通过引入商业化的聚阴离子电解质—双极性配体共熔化学，成功将原本难以传导阳离子的磺化离聚物转化为高效的单阳离子导体（ACS Energy Lett., 2023, 8, 4923−4931）。我们发现，引入的双极性配体（如乙酰胺）通过局部阳离子溶剂化和特殊的阴离子键合作用，能够自发地解离紧密的阳离子-阴离子对，且不影响刚性聚苯乙烯主链的固有性质。这种共熔相互作用有效地扩大了离子富集相分离域，为阳离子沿着不稳定的配位位点迁移创造了理想的渗透通道，从而实现了阳离子迁移与聚合物动力学的解耦。实验数据表明，在仅添加适量配体的情况下，对含有不同阳离子（如Li⁺,Na⁺,Mg²⁺和Zn²⁺）聚苯乙烯磺酸盐的电导率均得到显著提升，超过10^-5 S cm^-1)，相较于原始离聚物提高了至少4个数量级。

这些工作在共熔聚合物电解质领域的研究既相互关联又各有侧重，分别针对于中性聚酰胺体系、聚阴离子体系及聚阳离子体系。它们的共同之处在于均以提高聚合物电解质中阳离子的传导性能为研究目标，致力于解决传统电池电解质存在的问题，都巧妙地运用了共熔策略来精细调控离子间的相互作用，进而优化离子传导性能。这三项研究成果共同构成了共熔聚合物电解质领域的重要拼图，为该领域的发展提供了全面且深入的理论与实践支持，为未来高性能电池的研发指明了新的方向，具有广阔的应用前景。

Eutectic Perturbations Enhance Multivalent-Cation Structural Diffusion in Salt-Concentrated Polymer Electrolytes

崔光磊，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师，国务院特殊津贴专家，国家杰青和国家万人计划。“十三五”国家重点研发计划新能源汽车专项---高比能固态电池项目负责人（首席科学家）。中科院深海智能技术先导专项副总师（固态电池基深海能源体系）。青岛市储能产业技术研究院执行院长、中科丰元高性能锂电池材料研究院执行院长、国际聚合物电解质委员会理事、中国造船工程学会第一届深海装备技术学术委员会委员、国际储能与创新联盟理事、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、中国化学会电化学专业委员会委员、中国化学会有机固体专业委员会委员、中国化学会能源化学专业委员会委员、Macromolecular Chemistry and Physics国际咨询委员会委员等。主要从事低成本高效能源储存与转换器件的研究。

作为负责人/课题负责人主持承担国家自然科学杰出青年基金、国家973计划、863计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目、联合基金，省部级及中科院先导专项、企业横向项目等多项科研项目。先后在材料、化学、能源材料等方面的国际权威杂志如Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等发表相关论文400余篇，被引用2万余次。申请国家专利228项，已授权122项；申请PCT专利7项，授权欧洲专利1项。出版《动力锂电池中聚合物关键材料》书籍一部。获得2017年青岛市自然科学奖一等奖（第一完成人）；获得2018年山东省自然科学奖一等奖（第一完成人）；获得2021年青岛市科技进步奖一等奖（第一完成人）。

卢国立，2023年博士毕业于中国科学院大学未来技术学院/青岛能源所，师从崔光磊研究员。随后在青岛生物能源与过程研究所从事博士后研究，主要研究方向为固态离子传输，共熔聚合物电解质，氟离子电池等，以一作发表研究论文多篇。