随着全球能源结构转型加速，开发高安全、长寿命、高能量密度的下一代电化学储能技术成为迫切需求。近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室王欣课题组在聚合物电解质与电极界面调控领域取得系列重要突破。团队从分子尺度出发，分别针对锂金属电池中离子传输与界面稳定性矛盾，以及水系锌-碘电池中致命的多碘化物“穿梭效应”，提出了精准的聚合物分子结构设计与界面工程策略。相关成果连续发表于《Advanced Materials》、《Materials Horizons》及《ACS Energy Letters》，为高性能储能材料体系构筑提供了全新思路。
刚柔协同聚界面实现双离子调控，构筑超稳定锂金属负极
锂金属因具有最高理论比容量（3860 mAh g-1）和最低氧化还原电位，被视作突破传统锂离子电池能量密度瓶颈的关键。然而，锂金属在循环过程中极易产生不均匀沉积与枝晶生长，并伴随持续的界面副反应，严重制约其商业化应用。针对上述挑战，王欣研究员团队在发表于《Advanced Materials》的研究中，创新性提出“刚柔协同聚界面”分子设计策略，构筑了具备双离子调控能力的人工界面层PFT。
图1. PFT原理示意图
不同于传统仅关注Li+传输的单一路径，该研究通过分子设计同时调控Li⁺和阴离子（TFSI⁻）的界面行为：柔性的S/O链段与Li+形成梯度配位，降低迁移能垒，促进Li⁺均匀快速传输；刚性的含氟芳香结构则通过阴离子-π相互作用捕获TFSI⁻-，调控其分解路径。在二者协同作用下，界面原位生成富含LiF和Li2S的复合SEI膜，兼具高机械强度与优异离子传导能力。
得益于此，PFT@Li对称电池在1 mA cm-2条件下稳定循环超4000小时；即使在10 mA cm-2高电流密度下仍可运行超600小时。匹配高负载LiFePO4正极（12.3 mg cm-2）时，1 C循环1000次后容量保持率高达90%；所组装的软包电池匹配NCM811高镍正极时，0.5 C循环160次后仍保持85%的容量。该工作为锂金属负极界面设计提供了从“单一离子调控”向“阴阳离子协同调控”升级的分子工程范式。
温和条件CO2资源化利用，构筑高性能聚合物电解质
在聚合物电解质领域，团队进一步将“双碳”目标与电池材料创新相结合，探索将二氧化碳由传统废弃物转化为功能性电化学材料的新路径。相关工作发表于《Materials Horizons》。
研究人员开发了一锅两步三组分聚合策略，在室温、常压条件下直接合成CO2基聚氨酯（PCO2），避免了传统高温高压工艺。更重要的是，团队突破单纯“固碳”思维，利用CO2衍生结构中的极性基团参与Li⁺配位，构筑了具有连续离子传输通道的GPCO2-2复合凝胶聚合物电解质。该结构提供了多位点协同配位环境，避免Li+与单一基团过强结合，从而显著提升离子迁移效率。
测试表明，该电解质室温离子电导率达6.14×10-4 S cm-1，Li+迁移数达0.68，电化学窗口拓宽至5.2 V。搭载NCM811正极的电池在4.3 V、0.5 C下稳定循环500次；在4.7 V高电压下仍可循环110次，容量保持73%。柔性软包电池亦展现出良好应用前景。该研究实现了从“CO2固定”到“CO2功能化利用”的转变，为新型绿色聚合物电解质设计开辟了新方向。
图2. CO2基聚氨酯的温和条件合成及GPCO2-2复合凝胶聚合物电解质构筑示意图
微相分离网络构筑，一举攻克锌-碘电池多碘化物穿梭效应
水系锌-碘电池因本征安全、成本低廉、理论容量高，被视为电网级大规模储能的理想候选。然而，充放电过程中生成的可溶性多碘化物（I3-、I5-）极易穿过隔膜腐蚀锌负极，导致容量骤降——这便是制约其产业化的“穿梭效应”瓶颈。
针对这一难题，团队在发表于《ACS Energy Letters》的工作中，提出精妙的分子工程方案：在亲水性聚丙烯酰胺（PAM）骨架中引入疏水性丙烯酸甲酯（MA）单元，合成两亲性共聚物a-PAM。该材料自发形成纳米级微相分离结构——疏水MA链段驱动聚合物自组装，形成嵌入亲水网络中的疏水微域。这些疏水微域如同“分子牢笼”，通过物理隔离与化学锚定双重作用强力锁定多碘化物，从根源上抑制其溶解与穿梭；而连续的亲水通道则确保Zn2+和I-的快速传输，实现“锚定”与“传导”的兼得。
图3. 不同正极体系工作机制示意图
系列表征证实，a-PAM对多碘化物具有极强锚定能力：传统PAM体系在24小时内大量释放I3-，而a-PAM体系完全检测不到任何信号。原位光谱监测显示，在电池实际充放电过程中，a-PAM电解液中始终无多碘化物检出。得益于这一机制突破，a-PAM正极在1 A g-1下初始比容量高达209.3 mAh g-1（逼近理论极限），经15,000次循环后容量保持率仍达87.7%；在5 A g-1高电流下稳定运行30,000次；更打破高温禁区，80 °C下500次循环后容量保持率仍超80%。软包电池在弯折状态下性能稳定，展现出极强的实用化潜力。
该工作不仅为锌-碘电池提供了高效正极方案，更提出了一种普适性电极设计原则——通过分子工程构筑微相分离结构，可同步实现可溶性中间体锚定、快速离子传输与结构稳定，有望推广至锌-溴、锌-硫等其他受穿梭效应困扰的水系电池体系。
系列研究共同体现了王欣课题组在聚合物分子结构设计、离子配位调控及电极/电解质界面工程方面的持续探索，也表明从分子尺度精准调控离子行为，是突破高比能储能器件中离子传输与界面稳定性协同难题的重要途径。
相关研究成果分别发表于《Advanced Materials》、《Materials Horizons》和《ACS Energy Letters》。其中，《Advanced Materials》论文题为"A rigid-flexible polyinterface enabling molecular-level dual-ion regulation for ultrastable lithium metal batteries"；《Materials Horizons》论文题为"Converting CO2 into functionally valuable materials: a hybrid polymer electrolyte for high-performance lithium metal batteries"；《ACS Energy Letters》论文题为"Anchoring polyiodides: Microphase-separated gel polymer cathode for zinc–iodine batteries"。相关研究为高性能、长寿命及高安全储能体系（包括锂金属电池与锌-碘电池）的材料设计与界面调控提供了新的理论依据和技术路径。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.74068
https://doi.org/10.1039/d6mh01145d
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01706
来源：新能源材料研究部
附件下载：