邵国胜教授课题组Power source综述： PVDF基聚合物固态电解质的最新研究进展与展望

第一作者：李盼，黄媛媛

通讯作者：王卓*，邵国胜*

单位：郑州大学

聚偏二氟乙烯（PVDF）因其优异的化学稳定性、适中的机械强度和较宽的电化学窗口被认为是理想的聚合物固态电解质材料。然而，PVDF基聚合物固态电解质仍面临着一些挑战，例如，其离子电导率相对较低，机械性能仍需进一步改善，与高压正极或金属锂负极之间存在较为严重的界面问题。

基于此，郑州大学邵国胜课题组在国际知名期刊Journal of power source上发表题为“Recent Advances and Future Prospects for PVDF-based Solid Polymer Electrolytes”的观点文章。该文综述了PVDF基聚合物固态电解质的合成方法、相关电化学性能、最新研究进展和有效改性策略，并论述了PVDF基聚合物固态电解质在实际应用中所面对挑战和未来发展前景，为开发安全且具有高能量密度的固态电池提供了宝贵的参考和借鉴意义。

图1. PVDF基聚合物固态电解质关键性能提升策略示意图。

常见的PVDF基聚合物固态电解质的制备方法主要包括溶液浇筑法、静电纺丝法、原位固化法和卷对卷法等。溶液浇筑法操作简便，但膜的机械性能较差，且厚度不均匀；静电纺丝法可得到具有三维骨架和较好的机械性能的聚合物固态电解质膜，但该方法不适合大规模生产；原位固化法能有效改善电解质与电极的接触界面，降低界面阻抗，但通常需要特定的固化条件；卷对卷法适合大规模工业生产，其制备的电解质膜厚度均匀且控制精准。因此在实际制备聚合物固态电解质膜要根据特定需求选择合适的制备方法。

要点二：PVDF基聚合物固态电解质的关键性能及提升策略

PVDF基聚合物固态电解质的关键性能包括离子电导率、锂离子迁移数、机械强度和界面稳定性等。这些性能对实现高能量密度、长循环寿命的固态电池至关重要。

1. PVDF基聚合物固态电解质的离子电导率可以通过增加锂盐的解离度和聚合物的非结晶区域得到优化，常见方法包括增加锂盐浓度、控制残留溶剂量、引入填料或增塑剂等。

2. PVDF基聚合物固态电解质的锂离子迁移数对电池的倍率性能和循环性能至关重要，一般通过引入路易斯酸性位点或阴离子受体增加锂盐解离度，限制锂盐中的阴离子的迁移，促进锂离子的迁移。

3. 提升PVDF基聚合物固态电解质的机械强度可以有效抑制锂枝晶的刺穿，但过高的机械强度不利于界面接触和电池组装。通常通过与其他聚合物基体共混或引入内支撑基体以实现适中的机械强度。

4.  在PVDF基聚合物固态电解质中添加功能性锂盐或添加剂，在界面处原位形成固体电解质膜或人工构建固体电解质膜，可以实现聚合物和电极间的稳定界面，减小界面阻抗，抑制锂枝晶生长，进一步提升电池的循环稳定性和倍率性能。

要点三：展望

1. 设计具有更好电化学性能的PVDF基聚合物固态电解质。例如通过改性PVDF基聚合物、开发功能性锂盐和添加剂、利用多组分协同效应和改性溶剂等，提升其电化学性能。

2.通过理论模拟和先进表征技术研究PVDF基聚合物固态电解质中的复杂相互作用机制。例如通过密度泛函理论（DFT）结合机器学习、大数据库和人工智能技术，设计具有功能性结构的聚合物电解质，探究PVDF基聚合物固态电解质中锂离子的传输机制等。另一方面当前先进的表征技术是深入探究锂离子溶剂化结构和传输机制的重要途径，对于设计具有更优异电化学性能的新型PVDF基聚合物固态电解质具有重要意义。

3. 解决PVDF基聚合物固态电解质与电极的界面兼容性问题。例如制备机械强度适中的PVDF基聚合物固态电解质以实现良好的界面接触，抑制锂枝晶穿透；原位或人工制备固体电解质膜以构造稳定界面；原位固化和构建3D结构电极实现PVDF基聚合物固态电解质与电极的紧密接触。

“Recent Advances and Future Prospects for PVDF-based Solid Polymer Electrolytes”

邵国胜教授简介：国家特聘专家、郑州大学材料科学与工程学院特聘教授，博士生导师，国家级低碳环保材料智能设计国际联合研究中心主任，郑州新世纪材料基因组工程研究院创始院长，Energy & Environmental Materials创刊主编，英国萨里大学客座教授。邵教授的主要研究方向为多尺度材料模拟指导下的智能材料设计、先进材料表征技术、新型多功能材料及器件的制备，新能源材料与应用技术、环境清洁技术、纳米环境清洁技术等，发明国际领先全流程绿色、极低缺陷率石墨烯量产技术；系统研究了石墨烯的评价标准及理论基础；发展国际前沿“多尺度裁剪材料理论设计方法”；提出了非晶体稳定性“邵”模型；确立了调制结构衍射理论解析方程；拓展X-射线光电子能谱至亚表层合金化研究；首创硅基发光管、导引国际硅基光电研究热潮；通过理论配方指导发明了可持续性TCO材料系列（英欧柔性透明光电示范验证）；发明高通量等离子体辅助化学沉积技术，实现垂直石墨烯大面积无加热源、无催化原位生长掺杂。在Nature，Adv. Mater.，Acta Mater.，APL等顶尖学术期刊发表SCI论文400余篇；先后获得“黄河友谊奖”、“颠覆性技术优秀奖”等，授权国家/国际发明专利数十项。