随着对高能量密度和安全性要求的不断提高，固态锂金属电池（SSLMBs）成为下一代储能技术的热门选择。聚环氧乙烷（PEO）基复合聚合物电解质（CPEs）因其良好的加工性和界面接触性，成为SSLMBs中的重要候选材料。然而，PEO基CPEs面临两个主要挑战：一是PEO室温下的离子导电性较低，二是PEO高压下易发生氧化降解，难以匹配镍钴锰酸锂（NCM）等正极材料，限制了其在锂金属电池中的应用。已有诸如填料改性、链段设计和界面工程等研究的尝试，但始终存在离子传输和高压稳定性能的关键权衡。
近日，郑州大学潘科成副研究员和周震教授团队开发了一种基于焓熵协同配位调控设计（EEDC）的高电压PEO基电解质。通过引入一种基于吡咯烷离子液体（PYR14TFSI）合成的聚离子液体（PIL）以及双锂盐体系，针对Li+与PEO基质或锂盐阴离子（TFSI-、DFOB-）的配位偏好做出理性设计。热力学变量焓（ΔH）和熵（ΔS）被用作体系配位行为的描述符。ΔH反映了Li+与聚合物链或阴离子之间的非共价键结合强度，而ΔS则说明了配位体系的秩序程度。理想的设计应当使Li+与PEO链段之间的结合较弱，以便其在链段间更好地“跳跃式”迁移，并打破PEO的半结晶性；同时保持TFSI-在Li+配位鞘中的聚集，通过强结合将其锚定。通过计算化学和实验光谱学验证了上述设计在实际电解质（DPE1）中的实现。基于焓熵配位设计的DPE1电解质不仅在室温离子电导、Li+迁移数、电化学稳定窗口等上获得了性能提升，同时在宏观特性上（机械强度、粗糙度、拉伸性、热稳定性、阻燃性）均得到了显著改进。这种基于焓熵偏好设计主导的阴离子配位结构还能在正极/负极形成富含LiF和BF3的界面保护层。相得益彰的离子传输和界面化学性质使得DPE1电解质不仅实现了超长的锂沉积/剥离，更达成了与超高镍NCM90正极在4.5 V下的匹配，并应用于柔性的软包固态电池中，突显了其应用潜力。此工作不仅为PEO基电解质的设计提供了全新视角，更为高比能SSLMBs的研发提供了可行的途径。
图1：应用焓熵协同配位策略前后离子传输和界面稳定性的示意图
相关成果以“Designing PEO-Based Electrolytes via Entropy-Enthalpy Engineering for High-Voltage Solid-State Lithium Metal Batteries”为题，在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上发表研究性论文。郑州大学化工学院为第一单位，硕士研究生汪睿为论文第一作者，潘科成副研究员和周震教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、河南省重点研发项目、龙门实验室前沿探索项目以及河南省自然科学基金等项目的支持。
文章链接：http://doi.org/10.1002/adfm.202516074
作者简介：
汪睿（第一作者），郑州大学2023级硕士，2023年在武汉工程大学获得化学工程与工艺专业学士学位。现就读郑州大学化工学院材料与化工专业，师从潘科成副研究员，主要从事PEO基固态电解质的设计和高压正极界面的反应调控等方面的研究
潘科成（通讯作者），2021年在天津大学获得化学工艺专业博士学位，导师为张锁江院士，同年加入郑州大学化工学院，现为副研究员。主要研究方向为高比能固态锂电池、固态电解质的开发与应用。以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Environ. Mater.和Green Energy Environ.等国际知名期刊发表论文，申请国际专利1项，国内专利数项。主持河南省重点研发1项，企业横向1项。
周震（通讯作者），郑州大学化工学院院长、长江学者、享受国务院政府特殊津贴专家。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究，通过高通量计算、实验与机器学习相结合设计可再生能源存储与转化材料与系统。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.和Adv. Mater.等期刊上发表论文350余篇，被引48000余次，h-index为123。2014-2023年连续11年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2024年连续七年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《过程工程学报》等期刊编委，中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源循环利用专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。
