黄建宇教授唐永福教授张彪副教授ESM观点：基于多孔聚合物电解质全区域溶剂化结构调控实现455Wh/kg锂金属软包电池的稳定循环

锂金属负极因其超高理论容量（3860 mAh g⁻¹）被视为下一代高能量密度电池的“圣杯”。然而，其与传统液态电解液（如碳酸酯类）的兼容性差，循环过程中易产生枝晶，导致容量衰减、库仑效率低下甚至短路失效。尽管高浓度电解液（HCE）、局部高浓度电解液（LHCE）和弱溶剂化电解液（WSE）等策略被提出以调控溶剂化结构、稳定界面，但其商业化仍面临成本高、润湿性差、毒性或锂盐解离受限等挑战。多孔材料虽能调控溶剂化结构，但通常仅作用于电极/电解液界面的薄层，难以实现对体相电解液的全局调控，尤其难以应对高面容量沉积带来的体积膨胀问题。因此，亟待开发一种通用的全区域调控溶剂化结构的策略。

近日，湘潭大学/燕山大学的黄建宇团队在Energy Storage Materials上发表了题为“Enabling High Energy Density Li-Metal Pouch Cells by High Performance Porous Polymerized Electrolytes with Global Contact Ion Pairs”的研究论文。该工作创新性地开发了一种具有全区域调控能力的高性能多孔聚合电解质（PPE），通过原位聚合技术在电池内部构筑了富含-OH基团的三维分级多孔聚季戊四醇三丙烯酸酯（p-PETA）框架，成功将电解液限制其中。这种PPE不仅在4.5Ah的软包电池实现了455 Wh kg⁻¹的超高能量密度，更显著提升了电池的循环寿命（210次循环后容量保持率80.7%），为高能、长寿命的锂金属电池商业化提供了新思路。

核心创新：区别于传统仅在界面局部修饰的策略，PPE通过原位聚合形成的三维分级多孔（微米孔+纳米孔）p-PETA框架渗透至整个电池内部（正极、隔膜、负极），实现了电解液溶剂化结构的全局调控。

作用机制：纳米孔限域效应（~3.7 nm）与骨架上的-OH功能基团协同作用，通过-OH···O(EC, DEC)氢键锚定溶剂分子，显著改变了Li⁺的溶剂化结构。

关键转变：将液态电解液（LE）中主导的溶剂分离离子对（SSIP） 结构（占比63.7%）转变为接触离子对（CIP）主导的结构（PPE中CIP占比78.2%）。这种紧密的Li⁺-PF₆⁻离子对结构（CIP）是高性能的关键。

界面优势：CIP结构富集了Li⁺-PF₆⁻离子对，显著促进了阴离子分解，在锂金属表面形成了富含无机LiF的稳定固体电解质界面（SEI）。Cryo-TEM/EELS定量分析证实，PPE形成的SEI中LiF含量高达25.2%，远高于LE的6.5%。这种富含LiF的SEI具有高离子电导率和机械强度，有效抑制副反应和枝晶生长。

离子传输：PPE中的微米级孔隙为Li⁺提供了高效传输通道，增强了轴向渗透能力，确保了Li⁺通量在迁移过程中的均匀性。

沉积形貌：原位光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察显示，PPE调控下的锂沉积呈现均匀致密的大柱状结构（微米级），显著区别于LE中形成的纳米丝状多孔结构。同等容量下，PPE中的锂沉积层更薄（24 μm vs LE的30 μm），孔隙率更低，密度更高。

性能提升：Li⁺迁移数显著提高至0.62（LE为0.47）。电化学稳定性窗口拓宽至>5 V（vs. Li⁺/Li），优于LE的4.25 V。对称电池测试显示PPE具有极低的成核过电位和超长循环稳定性（>1000小时）。

突破性性能：采用高载量NCM811正极（20 mg cm⁻²）和25 μm锂箔负极，严格控制电解液用量（2 g Ah⁻¹），成功制备了4.5 Ah锂金属软包电池。

高库仑效率：平均库仑效率达到99.8%（前两圈活化阶段除外），远优于LE的91.8%。

行业对比：与文献报道的高能量密度（>300 Wh kg⁻¹）锂金属软包电池相比（通常依赖复杂设计的液态电解液），该工作基于聚合物策略结合商用碳酸酯电解液实现了性能突破，达到了行业领先水平。

石墨负极应用：将PPE策略应用于NCM811||石墨软包电池（面容量4 mAh cm⁻²），同样展现出优异的循环稳定性，证明了该策略的普适性。该电池能量密度达263 Wh kg⁻¹，且在1C倍率下循环3000次后仍保持良好容量。

厚电极全局调控：Cryo-FIB/SEM证实，PPE的三维多孔框架能均匀填充于厚电极（如4 mAh cm⁻2的石墨负极）的孔隙中，实现真正的全局溶剂化结构调控，有效缓解石墨在充放电过程中的剥离问题。

黄建宇 教授，燕山大学和湘潭大学教授，博士生导师。1996年博士毕业于中科院金属研究所；1996年至1999年间，于日本国家无机材料研究所、日本大阪大学先后任职；1999年至2001年间，于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室做博士后；2002年至2012年间，于美国波士顿学院、美国桑迪亚国家实验室纳米科技综合中心主任研究员。一直以来以电子显微镜为主要研究手段，从事纳米力学与能源科学研究工作20多年，在电池研究领域取得了系列原创性的研究成果，建立了多种纳米力学和能源材料透射电镜-探针显微镜（TEM-SPM）的原位定量测量技术，在国际上率先制造出可在高真空度电镜中工作的锂电池，发明了在原子尺度上实时观察锂离子电池充放电过程的新技术，形成了原位纳米尺度电化学和纳米力学研究的新领域，为锂离子电池研究提供了有效的技术手段，得到了学术界的广泛认同和高度评价。研究成果在Nature、Science、Physical Review Letters、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Nature Methods、PNAS、Nano Letters等杂志上发表，共发表论文340篇，h因子为105，总引用次数超过38000次，在各种专业学术会议上发表特邀报告100多次。

唐永福 教授，燕山大学环境与化学工程学院教授，博士生导师，河北省应用化学重点实验室固定成员。2012年7月毕业于中科院大连化学物理研究所，获得工学博士学位。同年，进入燕山大学环境与化学工程学院从事教学科研工作。一直以来，从事金属-空气电池、超级电容器等高性能电化学储能器件的设计、开发及球差校正环境透射电镜原位表征等应用及基础研究。近年来，主持国家自然科学基金、霍英东基金会青年教师基金等纵向科研项目10余项，获得河北省“青年拔尖人才”、河北省高等学校“青年拔尖人才”、燕山大学“新锐工程”等人才计划项目资助，以及获河北省“三三三”人才三层次人选、河北省优秀硕士学位论文指导教师等荣誉；以第一/通讯作者在Nat. Nanotechnol., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., ACS Nano, ACS Energy Lett., Nano Energy, Energy Storage Mater., Small, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces等高水平期刊发表论文50余篇；论文他引2000余次，h因子为24；申请国家发明专利10项，已授权6项。指导的研究生4人获得国家奖学金，2人获得河北省优秀硕士学位论文。

张彪，湘潭大学副教授，主要从事聚合物基固态电解质的研究工作。从多孔聚合物材料的分子设计出发，通过调控多孔材料-聚合物基体、多孔材料-锂盐相互作用，构建高性能聚合物复合固态电解质以及稳定SEI。研究成果以第一作者或通讯作者发表在 Angew. Chem. Int. Ed., Energy Storage Mater., Nano Energy, Nano Research, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Materials Science & Technology, ACS Sensors等期刊上。

喻强，湘潭大学博士研究生，主要从事开发高能量密度锂电池的研究工作。致力于通过调控溶剂化结构构筑高性能的电极/电解质界面膜，以实现高能量密度的无负极、金属锂以及硅基锂电池。

梁雅莉，燕山大学博士研究生，主要从事锂电池中失效机制的研究工作。致力于通过电子显微镜分析锂金属电池中锂金属生长引发的失效机制以及SEI膜结构，并以此为基础开发高性能锂金属电池。