随着电动汽车和储能电站的发展，传统石墨负极锂离子电池（理论比容量372 mAh g⁻¹）已无法满足日益增长的能量密度需求。锂金属因其超高理论比容量（3860 mAh g⁻¹）和最低电化学电位（-3.04 V vs. SHE）成为理想负极，但与液态电解质结合时存在电极/电解质界面（EEI）不稳定的致命问题，导致循环寿命短和安全风险。固态电解质虽能抑制枝晶，但固-固界面接触差阻碍实用化。准固态聚合物电解质（QSPE）虽改善离子动力学，但残留有机溶剂仍会引发副反应，形成不稳定界面层。

　　天津理工大学张联齐研究员、赵金石教授、高世伦副教授团队开发了一种基于丁二腈（SN）、双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）和定制聚合物网络的共晶基QSPE。通过重构Li⁺溶剂化结构，成功诱导电极表面形成富含LiF和Li₃N的无机界面层（SEI/CEI）。其中最优配方QSPE-3（0.3 M LiTFSI）具备超高离子电导率（0.904 × 10⁻³ S cm⁻¹）、宽电化学窗口（4.7 V）和高杨氏模量（16.01 GPa）。组装的LiQSPE-3LiFePO₄电池在0.5C下700次循环容量保持率达99%，即使面对3.53 mAh cm⁻²的高载量正极，150次循环后仍保持88.3%容量。该研究为高安全锂金属电池设计提供了新范式。

　　示意图 1.a） QSPE的聚合物制造工艺。b） 电极上 SEI/CEI 形成的示意图。

　　透明前体液经紫外聚合1分钟形成固态电解质（图1a）。FT-IR光谱中2255 cm⁻¹和2280 cm⁻¹波数分别对应游离SN和溶剂化SN，随锂盐浓度增加，溶剂化SN比例从39%升至59%，证实Li⁺与SN的强相互作用（图1b）。热重分析显示QSPE热稳定性显著优于液态电解质（LE），分解起始温度超140°C（图1c）。QSPE-3的玻璃化转变温度低至-88.78°C（图1d），表明聚合物链段在低温下具有良好运动性，利于锂离子传输。

　　图1 a) 前体溶液（左）和QSPE-3电解质（右）的光学照片。b) QSPE的FT-IR光谱（左）及溶剂化/游离SN的百分比分布（右）。c) QSPE与液态电解质（LE）的热重分析。d) QSPE的DSC曲线。

　　线性扫描伏安显示其耐压达4.5 V（图3a），Li⁺迁移数为0.37（图3b）。对称电池在0.1 mA cm⁻²下稳定循环1800小时（图3g），临界电流密度高达1.1 mA cm⁻²（图3h），远超液态电解质（0.5 mA cm⁻²）。铜负极电池的锂成核过电位仅2 mV（图3e），交换电流密度达0.147 mA cm⁻²（图3f），说明界面动力学显著提升。

　　在10⁻⁴-10⁻²秒（SEI形成）和10⁻¹-10⁰秒（CEI形成）区间，QSPE-3的特征峰强度在循环中保持稳定（图5b,c），证实界面层均一性。分子动力学模拟显示，Li⁺-O(TFSI⁻)在0.188 nm处出现尖峰（配位数1.691），而Li⁺-N(SN)峰在0.206 nm（配位数2.706），说明聚合物链和SN共同参与溶剂化鞘层（图5e）。Li⁺通过链间跳跃机制迁移（图5g,h），协同提升离子传输。

　　必一运动

　　图5 a) QSPE-3原位阻抗谱。b,c) 充放电过程的DRT图谱。d) 聚合物单体的静电势。e) 径向分布函数与配位数。f) QSPE-3分子动力学模拟快照。g,h) Li⁺在聚合物链间跳跃过程。

　　循环后锂负极在QSPE-3中保持致密均匀（图6c），而液态电解质中则出现多孔枝晶（图6b）。XPS证实QSPE-3形成的SEI中Li-F（684.6 eV）强度显著高于液态电解质（图6i），且存在Li₃N（54.9 eV）特征峰。TOF-SIMS三维成像显示LiF₂⁻和LiO₂⁻均匀分布（图6m,n），证实无机界面层的保护作用。透射电镜观察到QSPE-3在LFP正极表面形成仅3.92 nm的均匀CEI层（图6o）。原位光学显微镜进一步验证：液态电解质中30分钟即出现枝晶，而QSPE-3在90分钟后仍无枝晶生长（图6p,q）。

　　该研究通过精准调控共晶电解质的溶剂化结构，首次实现SEI/CEI双界面同步稳定化。QSPE-3电解质兼具高离子电导率、宽电压窗口和机械强度，赋予锂金属电池超长循环寿命（700次循环99%保持率）、高载量兼容性（3.53 mAh cm⁻²）及高温稳定性（60°C）。机理研究证明阴离子主导的溶剂化结构可诱导形成富含LiF/Li₃N的无机界面层，有效抑制枝晶生长和副反应。这一策略为开发高能量密度、高安全性锂金属电池开辟了新路径，并有望拓展至其他电池体系。