固态聚合物电解质（SPEs）凭借其本征电化学鲁棒性和增强的安全性，已成为下一代固态锂金属电池的主要候选材料。然而，克服高效的锂盐解离与快速的离子迁移之间固有的权衡关系，仍然是SPEs面临的一项根本性挑战。

2025年12月10日，西北工业大学苗宗成、西京学院张星星/贺泽民、上海理工大学窦士学院士团队合作在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Spatially Orchestrated Oxygen Motifs Decouple Ion Dissociation/Migration in Liquid Crystal Elastomer for High- Performance Solid-State Li Metal Batteries”的研究论文，西北工业大学苗宗成、Yan Rui为论文共同第一作者，苗宗成、张星星、贺泽民、窦士学院士为论文共同通讯作者。

第一作者：苗宗成、Yan Rui

通讯作者：苗宗成、张星星、贺泽民、窦士学

通讯单位：西北工业大学、西京学院、上海理工大学

论文DOI：10.1002/anie.202522322

该研究提出了一种具有空间图案化羰基（C=O）和醚基（C–O–C）氧官能团的、可编程液晶弹性体（LCE）框架。在这种分级结构中，羰基作为固定锚点，通过强配位作用解离LiTFSI，而醚链则作为动态中继，使Li⁺能够沿着定向中间相进行低能垒跃迁。这种解耦的“锚定-中继”机制实现了出色的室温性能：离子电导率达4.05×10⁻³ S cm⁻¹，Li⁺迁移数为0.78。协同诱导形成的富LiF界面相进一步抑制了枝晶生长，Li//Li对称电池表现出超过1000小时的长循环寿命和300 mV的低过电位，并在LiFePO₄//Li电池（500次循环后容量保持率为90.1%）和高电压LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂//Li电池体系中均展现出优异的循环稳定性。通过合理的分子工程，该研究提出的LCEs可作为下一代固态电池的变革性平台。

在储能技术中，对更高安全性和能量密度持续不断的追求，已将固态电池（SSBs）推至下一代电化学电源前沿。用本质上更安全的固态电解质（SSEs）替代易燃的液体电解质，可以缓解与热失控和枝晶生长相关的关键风险。聚合物电解质因其良好的加工性、柔韧性和规模化生产的潜力而备受关注。然而，以聚氧化乙烯（PEO）为代表的现有主流体系，因其半结晶性质而受到固有限制，导致室温离子电导率不足，以及与锂金属负极的不均匀Li⁺沉积和界面反应相关的、众所周知的稳定性问题。

基于这些瓶颈问题，为开发新型聚合物电解质，研究聚合物的离子传导机制和界面相容性正受到越来越多的关注。聚合物中的Li⁺传导主要依赖于链段动力学以及特定的聚合物-Li⁺配位相互作用。虽然强溶剂化基团（如羰基氧C=O）有利于锂盐解离，但它们常常导致过于稳定的配位壳层，从而阻碍Li⁺迁移。相反，弱配位的醚键氧（–O–）有利于快速跳跃，但可能会损害Li⁺的溶剂化和解离效率，从而限制整体电导率，并可能引发盐浓度极化。此外，较差的机械性能和界面相容性进一步增加了枝晶生长的风险，提高了界面阻抗，降低了电池效率和寿命。这种固有的权衡构成了一个持续存在的设计瓶颈，迫切需要能够同时促进高效解离、高Li⁺迁移率、机械鲁棒性和界面相容性的分子架构。

为应对这些挑战，液晶弹性体（LCEs）因其能够自发形成动态有序中间相的固有特性，为先进的电解质设计开辟了一个迄今未被探索的领域。与传统的无定形聚合物不同，LCEs将液晶的取向有序性与交联网络的弹性恢复力结合起来。这种协同作用产生了能够实现定向Li⁺传输的各向异性纳米通道，而其弹性体本质则提供了优异的界面相容性，并能抵抗电极体积变化所带来的机械应力。至关重要的是，LCEs中可调的液晶基元单元和交联密度允许对聚合物配位微环境进行精确调控。这些特性表明，LCEs可能超越传统固态聚合物电解质的局限。然而，其作为离子导电介质的潜力尚未充分实现，主要归因于对Li⁺在有序纳米受限相中传输机制的理解尚不充分。

在此，该研究通过将液晶弹性体（LCE）化学整合到下一代固态聚合物电解质（SPEs）设计中，提出了一种范式转变。与近期在整个基体中调控平均配位强度的单一功能方法不同，该研究的多重交联LCE策略有意地在空间上分隔了功能：富含羰基的区域作为局部“锚点”以促进锂盐解离，而相邻的富含醚键的中间相则为Li⁺迁移提供了排列整齐的低能垒中继通道，从而将溶剂化过程与长程传输解耦，克服了解离与迁移率之间传统的权衡关系。具体而言，该研究合成了一类新型的全固态聚合物电解质，其特点是具有独特的多重交联LCEs网络，该网络由富含醚氧键和羰基氧官能团的相互穿插链精心构建而成。至关重要的是，该研究揭示了一种双功能Li⁺传输机制：强相互作用的羰基氧作为固定锚点，促进锂盐解离并锚定Li⁺；而弱配位的醚键氧则沿着定向路径充当高效的跳跃中继点。图1a阐释了这种合成策略，该策略引入了具有醚氧基团的刚性LCE单体，通过聚合物主链中可调的羰基氧/醚氧比例实现协同Li⁺传输。弱配位的Li⁺–O(醚键)与强配位的Li⁺–O(酯基)之间的协同作用，形成了一个被阴离子溶剂化的聚合物基体。此外，LiTFSI较低的LUMO能级赋予其强电子亲和力，从而有利于形成富含LiF的固体电解质界面相（SEI）。这种由LCE分子设计所实现的溶剂化与迁移步骤的解耦，解决了单官能团聚合物中存在的经典权衡问题，展现出卓越的室温离子电导率（4.05×10⁻³ S cm⁻¹），并实现了均匀的Li沉积，从而获得了延长的循环稳定性。组装的LiFePO₄ | RSE-SPE | Li电池在1 C倍率下可提供131.5 mAh g⁻¹的初始比容量，并在500次循环后保持约90.01%的容量保持率。值得注意的是，当与高电压LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂正极配对时，RSE-SPE电解质在倍率性能和长期循环稳定性方面均表现出色。该研究将LCEs概念化为一个变革性平台，并阐明了其协同“锚定-中继”原理，为设计具有精确调控配位环境的下一代固态电解质建立了新范式。

图1. a) 不同SPE示意图，RES-SPE具有协同的强Li⁺–O(酯基)和弱Li⁺–O(醚基)配位作用，协同建立了富含阴离子的溶剂化结构，从而提高了Li⁺迁移数、氧化稳定性和阳极兼容性。b) RES-SPE电解质中不同组分的HOMO和LUMO能级。

图2. a) RES-SPE电解质膜的合成示意图。b) RES-SPE、RS-SPE、RE-SPE、RM257、RM2SH和EDDET的FTIR光谱。c) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE的热重分析。d) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE的DSC曲线。e) RES-SPE相态随温度变化的示意图。f) 液晶单体RM257、RM2SH和RES-SPE电解质的DSC曲线。RES-SPE的C=C g) 和S–H h) 基团的二维原位FTIR光谱。i) RES-SPE醚氧/酯氧强度比分布的拉曼成像图。

图3. a) C=O和C–O–C在Li⁺传输机制中的示意图。b) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE体系的静电势。c) 在各基团和游离Li⁺配位下，RM257、RM2SH和EDDET的结合能。d) Li⁺在不同体系中的迁移能垒。e)–g) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE体系的拉曼光谱。h)–j) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE体系的二维拉曼光谱。k) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE体系的Li⁺扩散系数。l)–n) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE体系中Li⁺–O(TFSI⁻)、Li⁺–O(C=O)和Li⁺–O(C–O)的径向分布函数与配位数。

图4. a) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE在室温下的电化学阻抗谱。b) 不同固态聚合物电解质在不同温度下的阿伦尼乌斯曲线。c) RES-SPE的Li⁺迁移数测试。d) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE的离子电导率和Li⁺迁移数对比。e) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE的电化学窗口测试。f) 对称Li/固态聚合物电解质/Li电池的塔菲尔曲线和交换电流密度。g) 聚合物电解质体系中Li⁺传输机制的比较。

图5. a) 含不同电解质的Li//Li对称电池在室温下的电压曲线。b)–d) 分别使用RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE循环200小时（25°C, 0.1 mA cm⁻²）后锂金属负极的SEM图像。e) RES-SPE、RS-SPE和RE-SPE的临界电流密度。f) 基于COMSOL模拟分析的RES-SPE在不同状态下的Li⁺浓度分布和Li沉积分布。g) LFP/RES-SPE/Li循环后，TOF-SIMS检测到的LiF₂⁻和Li⁻在锂负极表面的空间分布。h)–j) 使用RMSPE的循环后对称Li//Li电池SEI成分的C 1s、O 1s和F 1s的XPS光谱。k) 锂负极表面的深度剖析图。

图6. a) LiFePO₄/NCM811电池示意图。b) Li/RES-SPE/LFP、Li/RS-SPE/LFP和Li/RE-SPE/LFP在1 C循环下的放电容量和库伦效率。c) Li/RES-SPE/LFP、Li/RS-SPE/LFP和Li/RE-SPE/LFP的倍率性能。d) Li/RES-SPE/LFP在不同电流密度下的充放电曲线。e) Li/RES-SPE/LFP软包电池的循环稳定性和光学照片。f) Li/RES-SPE/NCM811的倍率性能。g) Li/RES-SPE/NCM811在不同电流密度下的充放电曲线。h) Li/RES-SPE/NCM811电池的循环稳定性。

总之，该研究将动态液晶中间相确立为一个结构可编程的平台，用于突破固态电池的性能瓶颈。RES-SPE电解质的分子设计将刚性间隔物与柔性醚/羰基氧官能团相结合，通过羰基氧锚定和醚基氧中继传输实现了Li⁺解离和迁移的分离，这一机制得到了DFT计算和分子动力学MD模拟的联合验证。这种方法超越了传统的单一化学SPEs，同时普遍地解决了低电导率和界面不稳定的问题。这种协同的“锚定-中继”机制提供了前所未有的室温离子电导率、高Li⁺迁移数和均匀的Li⁺通量，抑制了浓度极化和枝晶生长。结合阴离子诱导的富含LiF界面相和扩展的电化学稳定性，RES-SPE在LiFePO₄和高电压NCM811/Li全电池中均实现了超稳定的循环。从制造角度来看，这里提出的合成策略对于规模化放大具有重要意义。UV聚合反应快速，在环境条件下进行，使其工艺流程与卷对卷制造高度兼容。这为开发下一代基于聚合物的固态电解质体系提供了一种新方法。

编辑：李峙蓉   审核：张勇

点击进入-西京学院2026一站式招生专题

— END —