2026-06-11 10:50:06, H.E.L Group 赫伊尔商贸(北京)有限公司
一、核心策略:调控 Li⁺ 固态配位环境
固态锂金属电池(ssLMBs)的商业化瓶颈在于固态电解质中离子传输迟缓与电极-电解质界面不稳定的耦合难题。厦门大学、四川大学等团队近期在 J. Am. Chem. Soc. (Peng H, Long T, Lan J, et al. Regulating Li Solid-State Coordination to Enhance Hopping Kinetics within Polymer Electrolyte of Li Metal Batteries[J]. Journal of the American Chemical Society, 2026. DOI: 10.1021/jacs.6c02652.)发表的研究中,提出了一条新思路——通过调控 Li⁺ 的固态配位微环境来降低离子跳跃能垒并同步优化界面化学。
二、Li⁺ 配位结构与传输机理
通过分子动力学(MD)模拟与 DFT 计算,研究揭示了 PDTE 中 Li⁺ 的配位偏好:

l配位优先级:Li⁺ 优先与 PDOL 链段及 TFSI⁻/DFOB⁻ 阴离子配位,TTE 被完全排除在溶剂化鞘外(配位数 CN ≈ 0);
lPDOL 折叠构象:采取多齿配位模式,总结合能高达 −427 kJ mol⁻¹,形成连续的 Li⁺ 跳跃位点;
lDME 的桥梁作用:在聚合物链段间动态形成弱配位,作为"跳跃中继站"降低迁移活化能。
实验验证:
l拉曼光谱:PDTE 中 TFSI⁻ 从接触离子对(CIP)红移至自由离子(FA),表明 LiTFSI 充分解离;
l离子电导率:30℃ 下达 1.45 mS cm⁻¹,tLi⁺ 达 0.67,活化能仅 0.33 eV;
l电化学窗口:高达 4.85 V。
三、全尺度电化学性能
1. 长循环与快充
l Li|PDTE|LFP:2C 下循环 1000 次,容量保持率 92.5%;
l Li|PDTE|NCM811(3.0–4.5 V):0.5C 下 300 次保持 80.4%;
l 倍率性能:20C 下仍输出 79.2 mAh g⁻¹,返回 0.5C 后恢复 97.6%。
2. 极端条件与实用化
l低温:−20℃ 下 0.5C 循环 100 次保持 80%;
l软包电池:Li|PDTE|Ni90 实现 5.7 Ah 容量与 513 Wh kg⁻¹ 能量密度。
四、界面化学:SEI 与 CEI 的纳米级解析
负极 SEI(Li 金属)

PDTE 衍生 SEI 呈现 双层梯度结构:
l内层(无机富集):约 20 nm,由 LiF(TFSI⁻ 还原)和 Li₂O(PDOL 还原)构成;
l外层(有机富集):PDOL 衍生有机组分,提供机械柔韧性。
ToF-SIMS 三维重构证实:LiF₂⁻ 分布于 SEI 内部,LiO⁻ 富集于最内层,CH⁻ 有机碎片集中于外层。这种"无机刚性内核 + 有机弹性外壳"有效均化 Li⁺ 通量,抑制枝晶。
正极 CEI(NCM811)
lHRTEM 显示 PDTE 形成厚度约 5 nm 的均匀致密 CEI;
l富含 C–F 物种(TTE 衍生),构成物理屏障抑制 DME 氧化;
lNi K-edge XANES/EXAFS 表明 PDTE 有效抑制 NCM811 的 NiO₆ 八面体 Jahn-Teller 畸变。
五、热安全性与失效边界
对于 513 Wh kg⁻¹ 级高能量密度电池,本征热安全性是实用化的最终门槛。研究团队采用英国H.E.L(ARC)BTC-130绝热加速量热仪,在严格绝热环境中追踪了充电态软包电池的完整温度演化。

测试精确区分了三个关键安全临界点:
参数 | 液态电解质 | PDTE 固态电解质 | 变化 |
自加热温度 T₁ | 138℃ | 169℃ | 推迟 31℃ |
热失控触发温度 T₂ | 174℃ | 302℃ | 推迟 128℃ |
热失控最高温度 T₃ | 573℃ | 701℃ | 更温和 |
BTC-130 的绝热环境消除了外界热干扰,真实还原了电池内部自加热的"最坏情况",为高比能固态电池的安全评估提供了可重复、可量化的科学依据。
结语
这项工作从 Li⁺ 配位化学的底层视角出发,通过原位聚合构建 PDOL 基固态电解质,实现了离子传输动力学、界面化学稳定性与热安全性的协同提升。其核心启示在于:固态聚合物电解质的性能瓶颈并非单纯源于链段运动不足,而是与 Li⁺ 微观配位环境及其诱导的界面演化密切相关。通过配体场效应调控跳跃能垒、通过阴离子配位设计衍生稳定的 SEI/CEI,研究团队成功将分子设计延伸至 5.7 Ah、513 Wh kg⁻¹ 的实用化软包电池,并以英国H.E.L(ARC)BTC-130绝热加速量热仪等精密热分析手段确立了其延后的热失控边界,为下一代高比能、高安全固态电池提供了可借鉴的范式。

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