专栏名称: 高分子科技

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上海交大朱申敏教授团队 Nat. Commun: 刷状拓扑聚合物骨架助力宽温域凝胶电解质

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-15 12:00

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开发能够在极端条件下工作的锂金属电池电解质对现代能源基础设施具有重大意义。凝胶聚合物电解质兼具固态电解质的机械稳定性和液态电解质的离子传输优势，成为下一代锂金属电池的有力候选。然而，传统凝胶聚合物电解质仍面临诸多挑战，包括低温下离子传输动力学受限、脱溶剂化能升高以及高温下热诱导副反应，这些因素显著限制了其在极端环境中的实用可行性。

近期， 上海交通大学材料科学与工程学院朱申敏教授团队 设计了一种仿生弱溶剂化凝胶聚合物电解质（ WSGPE ），实现了锂金属电池在 −30 ℃ 至 80 ℃ 超宽温域内的稳定运行，并成功制备了 490.8 Wh kg ⁻¹ 的高比能软包电池。研究团队从水生植物叶片与水的动态交互中汲取灵感，开创了仿生设计调控溶剂化结构的新范式。

在长期进化过程中，水草叶片表面的疏水蜡层消失以增强和水的相互作用，从而实现高效养分吸收。其短刷状叶片增加了与水的接触面积，并可快速摆动来促进流体传输。这类似于凝胶电解质体系，其中水对应于液体电解质成分，而水草则类似于聚合物框架。然而目前人们对于凝胶电解质的设计多集中在其液态组分上，遍布于其中的聚合物骨架普遍被认为只起到惰性包裹作用。受到水草和水相互作用的启发，研究团队模仿水草形态设计了具有短侧链的刷状聚合物骨架，增加了聚合物 - 溶剂的相互作用位点；模仿动态水 - 水草相互作用设计了独特的 Li ⁺ 溶剂化团簇，使其能够与刷状聚合物的短侧链形成动态非键合相互作用（图 1 ）。

图 1. WSGPE 的仿生启发设计

具体而言，聚（三氟乙基甲基丙烯酸酯）（ PTFMA ）通过小分子前驱体原位聚合形成刷状聚合物框架，与其侧链具有镜像结构的 3,3,3- 三氟丙酸乙酯（ FEP ）为主溶剂。 FEP 与 PTFMA 之间的强双偶极耦合相互作用有效削弱了 Li ⁺ -FEP 配位，使 FEP 富集在聚合物骨架周围，成功诱导了弱溶剂化结构的形成。这种弱溶剂化凝胶聚合物电解质在室温和 −40 ℃ 下离子电导率分别为 4.40 × 10 ^⁻4 S cm ^⁻1 和 1.03 × 10 ^-4 S cm ^⁻1 ，室温锂离子迁移数为 0.83 ，电化学稳定性窗口高达 5.05 V 。 WSGPE 还具有优越的阻燃性，从而确保了高压电池的安全性（图 2 ）。此外，弱溶剂化结构诱导阴离子优先分解，形成富含 LiF/Li ₃ N 的电极 - 电解质界面相，显著促进了低温下离子界面传输动力学。这项研究工作打破了人们对凝胶电解质中惰性聚合物框架的刻板印象，将聚合物骨架从 “ 被动载体 ” 转变为 “ 性能调控引擎 ” ，为设计适用于极端环境的高性能凝胶聚合物电解质提供了新思路。