第一作者：李志勇

通讯作者：郭新教授、杨辉教授、李卓教授

通讯单位：华中科技大学、武汉科技大学

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64356-4

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在聚合物基固态电池研究中，如何同时兼顾“高离子电导”“宽温域稳定”和“良好安全性”始终是一大挑战。液态体系虽离子传导快，却带来高温副反应与安全隐患。而聚合物体系虽安全性得到极大提升，但常规聚合物体系如PEO中，锂离子往往被强烈束缚在醚氧上，从而使迁移受限，同时锂离子依赖聚合物链段的运动进行传输，低温环境下，聚合物链段运动能力下降，导致离子传输效率显著降低，严重限制了其在极端环境下的应用。该研究提出了一种“氟/氧共配位（F/O co-coordination）”的新策略，通过在聚合物链上引入氟基团，构建出弱耦合、多位点的锂配位环境，实现了锂离子迁移与聚合物链段弛豫的“解耦”，显著提升了宽温区电导率和倍率性能

背景介绍

传统的液态碳酸酯类电解质，在低温下（如低于-20°C）会因黏度剧增甚至凝固而导致离子电导率急剧下降，使电池性能严重衰减甚至失效；而在高温下（如高于+60°C），其高挥发性和易燃性又带来了严重的安全隐患。为了同时解决能量密度与安全性的双重挑战，聚合物电解质被认为是构建下一代固态电池的理想选择。它们固有的柔性、优异的界面接触、简便的加工工艺以及成本效益，使其备受瞩目。尽管前景广阔，但传统聚合物电解质（如聚环氧乙烷，PEO）其离子传输机制严重依赖于聚合物链段的缓慢运动。在低温条件下，这种链段运动几乎被“冻结”，导致离子传导动力学极为迟缓，从而限制了电池的低温性能。要打破这一僵局，必须实现电解质设计的范式革新。

研究亮点

1) 提出了宽温域聚合物基电解质的设计原则

强调最小化离子-偶极子相互作用，并确保聚合物基体内锂离子解络合能低。同时，选择供体数低且介电常数适中的塑化剂，这有助于平衡结合能与盐解离能，从而共同提升电解质的离子电导率。

2）发展“氟–氧共配位（F–O co-coordination）”新机制

通过在聚合物链上引入–CF₂–与C=O基团，构建协同配位环境，弱化Li⁺–聚合物束缚、增强盐解离、实现离子传导与链段弛豫解耦，开辟了聚合物电解质分子设计新思路。

3）构建高电导率、宽温域的氟化准固体电解质新体系

采用原位聚合策略制备HFA基电解质，在−40 °C仍具0.27 mS·cm⁻¹电导率，可在−50 °C至70 °C下实现10 C快充放电，兼顾高电导、高迁移数与稳定性。

4）实现高安全、高兼容与体系普适性新发展

氟/氧共配位体系展现出显著的热稳定与界面安全优势（热失控起始温度达196 °C），且该配位调控策略可拓展至钠系体系，为下一代宽温、高安全固态电池提供通用设计原则。

图文解析

图1 溶剂化结构、锂离子传输和宽温性能示意图。a 非氟化准固体聚合物电解质，b 氟化准固体聚合物电解质。

图2电解质设计和物理化学性质。a 不同聚合物单体和溶剂的介电常数和供体数；b 不同聚合物单体的静电势。左：BA；右：HFA，以及Li⁺-BA和Li⁺-HFA优化的几何构型。c Li⁺-溶剂复合物的键长。d Li⁺-溶剂分子的结合能。e 各种溶剂的熔点和沸点比较。f 不同温度下电解质的离子电导率。g 不同电解质的锂离子迁移数 tLi⁺。h 电解质的LSV曲线。“Liquid”表示液体电解质，“polymer”表示非氟化准固体聚合物电解质，“fluorinated polymer”表示氟化准固体聚合物电解质。

图3 电解质的理论和实验结构分析。a 非氟化准固体聚合物电解质的分子动力学模拟快照，b 氟化准固体聚合物电解质的分子动力学模拟快照。c 聚-BA和d 聚-HFA准固体聚合物电解质的径向分布函数及平均配位数。e 聚-BA和聚-HFA准固体聚合物电解质中Li⁺的均方位移。f 氧K-edge XANES光谱。

图4 不同温度下金属锂的性能表征。a–c 液态电解质、非氟化准固体聚合物电解质和氟化准固体聚合物电解质在0.5 mA cm⁻²、5 mAh cm⁻²下的锂沉积曲线。d–f 对应沉积实验后铜集流体的光学照片和SEM图像。g 不同电解质中形成的SEI在不同溅射时间下的F和O原子比。h 不同电解质中Li⁺去溶剂化过程的活化能。i 不同电解质的Li⁺去溶剂化结合能模拟结果。

图5 Li||NCM811电池的宽温性能。a 不同电解质在20 mA g⁻¹下从-40°C至70°C的容量变化。b -20°C和60°C下60 mA g⁻¹的循环性能。c 不同倍率下的性能。d 与0.2 C相比的容量保持率。e 实际条件下60 mA g⁻¹的循环性能。

图6 氟化聚合物基准固态软包电池性能。a Li||NCM811软包电池示意图。b 20 mA g⁻¹下的充放电电压曲线。c 针刺测试光学照片。d -51.3°C下驱动风扇的软包电池。e 聚合物基准固态电池的宽温性能对比。

总结与展望

总体而言，本研究展示了一条通过调控聚合物链结构与局域配位化学来优化离子传导与界面行为的有效途径，为构筑稳定、安全、宽温域的固态电池体系提供新的设计思路。该工作不仅为电解质化学调控提供了可借鉴的范式，也为开发能够在极端条件下（如高/低温环境或快速充电场景）可靠运行的下一代储能系统提供了关键的科学指导与实践参考。

作者信息

李志勇第一作者，华中科技大学材料科学与工程学院2022级博士研究生。研究方向：聚合物基电解质与固态电池。在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Sci.等期刊发表多篇论文。

李卓武汉科技大学特任教授，湖北省高层次创新人才。主要从事聚合物固体电解质与固态电池研究，重点聚焦极端环境下的聚合物电解质设计及固态电池产业化，在基础研究与工程化应用方面积累了丰富经验。截至目前，主持国家级/省部级项目7项，以第一/通讯作者在Nature Communications、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Advanced Science 和《科学通报》等国际知名期刊发表论文40余篇，其中高被引论文4篇，热点论文2篇。授权发明专利5项，参与完成专利转化项目1项（其中的4项核心专利，总金额660.5万元）。受邀为中科院《2021科学发展报告》撰写专题文章《锂金属电池——从液体到固态》。

杨辉华中科技大学航空航天学院教授，华中卓越学者，中组部海外高层次青年人才项目入选者。基于原位实验观测和跨尺度/多场耦合数值模拟手段，对材料及结构在服役过程中的变形、破坏与失效展开了广泛的研究，发表工程科学以及力学领域的国际顶级期刊（如Nature Communications、Nano Letters、ACS Nano、Energy Storage Materials、Applied Catalysis B: Environmental、Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Extreme Mechanics Letters等）论文70多篇。

郭新 华中科技大学二级教授、国家特聘专家、中国固态离子学会理事、国际期刊“Solid State Ionics”编委、国际固态离子学会（International Society for Solid State Ionics）学术奖评选委员会五名委员之一。2002年至2012年，任德国于利希研究中心（Research Center Juelich, Germany）终身高级研究员；1998年至2002年，作为客座研究员在德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany）从事研究工作。2005年，获美国陶瓷学会Ross Coffin Purdy Award。

课题组介绍

华中科技大学材料科学与工程学院“固态离子学实验室”以固体材料中的离子传导为科学基础，以此在信息领域研究类脑芯片及智能感知系统，在能源领域研究固体电解质及固态电池，在环境领域研究气体传感器及仿生智能嗅觉。实验室具有国际一流的实验条件，温馨的学习环境，充足的实验经费。课题组网站：http://hust-ssi.cn

课题组招聘

华中科技大学材料学院固态离子学实验室面向海内外诚招全职教师（教授、副教授、讲师）、博士后、博士研究生和硕士研究生。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64356-4