【摘要】 本研究由郑州大学周震/潘科成团队发表于《Advanced Functional Materials》（IF=19.0），提出焓熵协同配位策略（EEDC），通过引入聚离子液体（PIL）和双锂盐体系，优化PEO基电解质的锂离子配位行为，实现高离子电导率（0.117 mS cm⁻¹）、高迁移数（0.71）和宽电化学窗口（0-5.5 V），助力高压固态锂金属电池匹配NCM90正极。工作包含DFT计算、分子动力学模拟等计算项目，部分计算服务由科学指南针唯理计算平台提供技术支持【科学指南针·计算服务·2025】。

本文基于郑州大学周震/潘科成团队在《Advanced Functional Materials》（影响因子19.0，一区TOP）上发表的研究“Designing PEO-Based Electrolytes via Entropy-Enthalpy Engineering for High-Voltage Solid-State Lithium Metal Batteries”。研究通过热力学视角提出焓熵协同配位策略（EEDC），优化PEO基电解质的离子传输和高压稳定性。部分计算服务由科学指南针提供助力【科学指南针计算服务·2025】。

 

研究背景

固态锂金属电池（SSLMBs）因高能量密度和安全性成为下一代储能技术焦点。聚环氧乙烷（PEO）基复合聚合物电解质（CPEs）加工性好，但面临两大挑战：

  • 离子电导率低​：PEO在室温下链段活性弱，半结晶性限制锂离子迁移。

  • ​高压稳定性差​：PEO易氧化降解，匹配高镍正极（如LiNiₓCoᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂）时界面恶化。

    传统方法如填料改性或界面工程未能解决离子传输与稳定性的权衡问题。

 

工作介绍

本研究提出EEDC策略，通过引入聚离子液体（PIL，如PYR₁₄TFSI）和双锂盐（LiTFSI/LiDFOB），调控锂离子（Li⁺）配位行为：

  • ​热力学描述符​：焓（ΔH）反映Li⁺与聚合物/阴离子的结合强度；熵（ΔS）表示配位体系秩序程度。

  • ​设计目标​：弱化Li⁺-PEO配位（ΔH减小，ΔS增大），增强阴离子锚定（ΔH增大，ΔS减小），实现“阳弛阴固”。

    实验验证电解质DPE1（PEO:PIL=1:1）具备高离子电导率（0.117 mS cm⁻¹）、高锂离子迁移数（0.71）和宽电化学窗口（0-5.5 V）。

示意图1. EEDC设计前后固态锂金属电池中离子传输和界面稳定性的变化。

 

内容表述

图1: EEDC调控下的局部Li⁺配位化学

  • ​计算与实验验证​：通过DFT计算结合能、分子动力学模拟配位结构，结合拉曼光谱等证实PIL削弱Li⁺-PEO作用，促进TFSI⁻在Li⁺配位鞘聚集。

图1. EEDC调控下，局部Li+配位化学的示意与表征。

 

图2: 聚合物电解质的物理化学性质

  • ​宏观性能提升​：XRD/DSC显示PEO结晶度降低；表面粗糙度降至8.6 nm，增强界面接触；热稳定性和机械强度显著改善。

图2. 聚合物电解质的物理化学性质。

 

图3: Li⁺传输性能与锂金属负极稳定性

  • ​离子动力学​：室温电导率0.117 mS cm⁻¹，迁移数0.71；锂沉积/剥离稳定性超5000小时，SEI层富含LiF/BF₃。

图3. 聚合物电解质的Li+传输性能及其匹配锂金属负极的稳定性。

 

图4: NCM90正极界面化学与结构表征

  • ​高压兼容性​：XPS/TOF-SIMS显示CEI层以LiF/BF₃为主，抑制过渡金属串扰；DFT计算证实PEO氧化减缓。

  • ​FAQ式表述​：如何提升PEO基电解质高压稳定性？答案：EEDC策略优化界面化学。

图4. 循环后的NCM90正极及其CEI的组分化学与结构表征。

 

图5: 高压固态电池电化学性能

  • ​电池表现​：4.5V下放电容量214.0 mAh g⁻¹，软包电池通过滥用测试（折叠、剪切）。

图5. 高压下固态锂金属电池的电化学性能表现。

 

文章总结

本研究通过焓熵协同配位策略（EEDC）重新设计PEO基电解质，解决了离子电导率与高压稳定性的矛盾。计算与实验结合验证了局部Li⁺配位行为的优化，为高比能固态电池提供新范式。论文链接：DOI: 10.1002/adfm.202516074。

 

通讯作者简介

  • ​潘科成​：郑州大学直聘副研究员，研究方向为固态电解质开发，主持多项省部级项目。

  • ​周震​：郑州大学教授、长江学者，在能源材料领域发表论文350余篇，h-index 123。

    本研究部分计算服务由科学指南针支持，凸显计算化学在材料设计中的价值【科学指南针·唯理计算·2025】。