近期，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授/陈苏莉副教授在聚合物基全固态锂金属电池方面取得突破性进展，在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上发表题为“Mixing Functionality in Polymer Electrolytes: A New Horizon for Achieving High-Performance All-Solid-State Lithium Metal Batteries (DOI:10.1002/anie.202422169)”的重要学术论文，并被选为Hot Pape。第一作者为硕士研究生任玉凤，通讯作者为刘天西教授、陈苏莉副教授、河南大学田志红教授和马普所Markus Antonietti教授。
全固态锂金属电池（ASSLMBs）采用固态电解质替代传统液态电解质，被认为是兼顾高能量密度与安全性的下一代先进电化学储能技术。其中，固态聚合物电解质（SPEs）作为构成ASSLMBs的核心部件，因其高柔性、易加工性和良好的电极/电解质接触性而备受关注，但其锂离子传导率低、机械性能差的缺陷限制了ASSLMBs的实际应用。SPEs中锂离子迁移依赖聚合物链的链段运动，而传统增塑策略（如引入有机增塑剂或交联网络）往往顾此失彼：增塑剂虽能降低结晶度、提升离子电导率，却牺牲了机械强度；交联网络虽能增强机械性能，但限制链段运动，抑制了离子的快速传输。如何协同优化SPEs的离子传导能力与机械性能，成为聚合物基全固态电池领域面临的关键挑战。
基于此，本研究创新性地通过“微相分离”策略开发了一种超分子拓展的固态聚合物电解质（PCPE）体系，成功攻克了传统SPEs中离子传导与机械性能难以兼顾的瓶颈问题。具体而言，该研究首先设计合成了一种多臂含硼低聚物（MBO）作为多功能固体增塑剂，随后将其引入聚环氧乙烷(PEO)-锂盐基体中，在半结晶PEO基质相中形成了有利的“微相分离”。在这种PCPE中，具有丰富Lewis酸硼位点的MBO与锂盐阴离子（TFSI−）通过酸碱相互作用诱导形成非晶态盐簇组装体，以实现快速的Li+渗透，显著提升了Li⁺传导率。此外，MBO的多条线性聚乙二醇（MPEG）臂与PEO结构高度相容，能够诱导物理交联网络并通过优化臂长调控PEO基质的结晶相形态，当MBO中的MPEG臂长合适时，可同时提升电解质的机械强度和杨氏模量。因此，所得PCPE体系能够同时实现更快的锂离子传导和更高的机械性能。得益于此，基于PCPE的Li/Li对称电池表现出更高的界面稳定性，循环寿命超过2600小时。同时，全固态电池展现出了出色的倍率性能和循环性能，且通过集成化电极设计和软包电池验证，其在匹配高负载正极的全固态电池中仍保持优异性能。本研究通过“微相分离”策略构建超分子拓展的聚合物电解质以调控微相结构，实现了SPEs中结晶相与非晶相的协同优化，为克服SPEs在机械强度和离子传导之间的矛盾引入了一种有效策略，也为SPEs在全固态电池中的实际应用提供了新视野。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202422169
超分子拓展的固态聚合物电解质结构及作用机制示意图
