研究背景
传统锂金属电池存在安全隐患，这是因为易燃有机电解液及其固-液界面持续发生副反应会引发不可控的枝晶，隔膜被刺穿造成电池内短路。固态电解质替代有机电解液，被认为是抑制锂枝晶解决锂金属电池安全问题的有效路径。
固态电解质分为无机、有机两大类，前者在室温下离子电导率可达10⁻³至10⁻² S cm⁻¹，机械强度优异，但规模化应用受复杂工艺、固-固界面阻抗大等因素的限制；后者与电极形成良好界面，且柔韧性佳，但离子电导率较差。研究发现，通过共聚可提升聚合物电解质的离子电导率至10⁻⁴ S cm⁻¹，通过添加增塑剂、无机填料建立连续离子传导路径能将离子电导率进一步提高到10⁻³ S cm⁻¹。然而，填料分散不均匀以及长时间循环过程中界面发生化学降解仍是亟待解决的瓶颈问题。此外，TFSI⁻阴离子庞大的分子结构导致锂离子迁移数降低（通常tLi⁺ < 0.3）。
针对以上问题，本研究通过引入丁二腈增塑剂调节链段运动能力和离子传输，研制出一种全新的纤维素（PCLA）基准固态电解质（QPE）。探讨了氢键、锂离子双给体和阴离子-π相互作用对QPE的影响。结果发现，协同作用促进了纤维素聚合物链间分离；同时羧基与TFSI⁻之间的氢键（羧基的强吸电子特性导致苯环电子云密度降低）以及苯环与TFSI⁻的阴离子-π作用，形成的稳定网络显著抑制阴离子TFSI⁻的迁移；酯基位点的引入增强了离子-偶极相互作用，不仅提升了锂离子的短程迁移能力，而且实现了室温下高离子电导率和锂离子高迁移数。
该研究为开发高性能、高安全、可规模化的准固态金属锂电池提供了一条全新路径，相关成果以“Double-Donor and Anion-π Polymer Electrolytes for Fast Li+ Conduction in Lithium Metal Batteries”为题近日发表于国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202516098, doi.org/10.1002/anie.202516098）。南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生刘玉成为论文第一作者，南京大学丁煜、南京大学唐少春教授为论文通讯作者。
图1. PCLA QPE准固态电解质中锂离子迁移机理。（a）锂离子迁移示意图，展示三种不同机制；（b, c）PCLA和CLA的吸附能示意图，红、灰和白色分别表示氧、碳和氢原子；（d, e）FT-IR光谱；（f, g）SEM图，插图为柔性固态电解质折叠成纸飞机状；（h）XRD图谱；（i）添加与未添加丁二腈（SN）的PCLA QPE拉伸应力-应变曲线；（j）离子电导率对比。
图2. PCLA QPE电解质中锂离子传输性能的分析。（a）线性扫描伏安曲线；（b, c）Li | PCLA QPE | Li 对称电池极化曲线；（d）魔角旋转核磁共振谱；（e）FT-IR光谱曲线；（f）自由锂离子与配对TFSI⁻的比较；（g）阿伦尼乌斯曲线；（h, i）不同温度下电化学阻抗谱。
图3. PCLA QPE中锂离子传输机理。（a）氢键强度比较，重点C=O和O-H相互作用；（b）TFSI⁻阴离子与苯环（Ph）相互作用强度；（c）0和50皮秒时离子传输的分子动力学模拟；（d）氧亲和位点对锂离子结合能比较；（e）锂离子扩散系数对比；（f）分子动力学模拟。
图4. Li | Li 对称电池在室温25 °C下的性能。（a）对称电池在电流密度0.4 mA cm⁻²下的恒电流沉积/剥离曲线；（b）在不同电流密度和面容量下的恒电流沉积/剥离曲线；（c, d）循环100次后内部SEM图，插图为循环后锂金属的光学图；（e, f）原位弛豫时间分布图；（g, h）锂沉积的模拟结果；（i, j）循环100次后锂金属表面固体电解质界面的XPS图谱。
图5. Li | LFP 电池在25 °C下电化学性能测试。（a）电池在不同倍率（0.1 C至5 C）的充放电曲线；（b）从0.1 C到5 C的倍率性能；（c）1 C下的循环稳定性；（d）0.05-2 C 的倍率性能；（e）0.5 C下的循环稳定性；（f）软包电池在0.1 C下的长期循环性能；（g）软包电池点亮LED指示灯；（h）电池在0.5 C下的循环稳定性。
总结
总体而言，该研究提出的双供体与阴离子-π协同策略通过引入羧基（COOH）和苯环（Ph），扩大分子链间距从而提升了锂离子迁移率。在PCLA QPE内部，氢键（COOH···TFSI⁻）和阴离子-π相互作用（Ph···TFSI⁻）的协同效应固定TFSI⁻阴离子，有效促进锂离子和对应阴离子解耦，从而实现了高离子电导率和高锂离子迁移数。基于该电解质的Li | PCLA QPE | LFP全电池有效抑制了锂枝晶生长和副反应，在1 C倍率下循环1000次后容量保持率达到82%。该研究为低成本、安全且耐用固态电池的设计研发建立了一种全新的思路。
论文信息：
Yucheng Liu, Chengwei Ye, Yaohui Cheng*, Yu Ding*, and Shaochun Tang*. Double-Donor and Anion-π Polymer Electrolytes for Fast Li+ Conduction in Lithium Metal Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202516098, doi.org/10.1002/anie.202516098.
