锌离子桥联聚醚电解质实现5V高压准固态电池的突破

研究人员针对聚醚电解质氧化阈值低、难以匹配高压正极的难题，提出金属离子桥联策略，通过Zn2+-O配位稳定醚氧孤对电子，开发出电化学窗口>5V的Zn-IBPE电解质。该材料使4.5V Li||LiCoO2电池循环280次保持92%容量，并实现10Ah级SiO-石墨||NMC811（303 Wh kg-1）和18Ah锂金属||NMC90（452 Wh kg-1） pouch cell的稳定循环，穿刺测试中展现优异安全性，为高能准固态电池设计提供新思路。

　　

在能源转型的浪潮中，锂离子电池(LIBs)虽已改变世界，但电动汽车的"里程焦虑"仍如影随形——当前电池能量密度难以突破500公里续航门槛。更令人头疼的是，被寄予厚望的锂金属负极(Li-metal)就像个任性的艺术家，在循环过程中肆意生长枝晶，而传统液态电解质的易燃特性更让安全问题雪上加霜。聚醚基固态电解质本应是救世主，其与锂金属的良好兼容性令人心动，但先天不足的氧化稳定性（通常<4V）却将其死死钉在低电压应用的牢笼中，眼睁睁看着高镍三元正极(NMC)和高压钴酸锂(LCO)的潜力无法释放。

华中科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究如同打开牢笼的钥匙。他们创造性地将"离子桥联"概念引入聚醚电解质设计，就像在醚氧原子周围筑起一道电子防线。通过Zn²⁺与聚二氧戊环(PDOL)-三醋酸纤维素(CTA)双网络中的氧原子形成强配位，成功将氧化阈值提升至5V以上。这种锌离子桥联聚醚电解质(Zn-IBPE)不仅守住了电子高地，还意外获得了热稳定性加成——在120℃高温下坚守3小时不分解，与传统PDOL电解质110℃就"熔化成油"的脆弱形成鲜明对比。

研究团队运用多项关键技术：通过原位聚合将DOL单体在CTA框架内转化为PDOL双网络；采用拉曼光谱和FT-IR证实Zn²⁺-O配位作用；结合ToF-SIMS和XPS解析LiF富集的SEI层；利用DEMS实时监测4.5V高压下的产气行为；最终在4Ah石墨||NMC811和18Ah锂金属||NMC90 pouch cell中验证实用性。

氧化稳定性突破

量子化学计算揭示，Zn²⁺桥联使醚氧的电子密度增加，C-O-C键振动峰红移12cm^-1。电化学浮动测试显示，Zn-IBPE在4.8V仍保持稳定，而对照组PDOL-CTA在4.5V即剧烈分解。理论计算表明，Zn²⁺···PDOL-CTA簇的结合能(-3.21eV)与氧化电位呈线性相关，这种"电子锁"机制可推广至PEO等其他聚醚体系。

锂金属兼容性

Li||Li对称电池在1mA cm^-2下稳定循环1900小时，极化电压仅34mV。Li||Cu电池的库伦效率达98.4%（1450次循环），得益于ToF-SIMS证实的LiF₂^-富集界面（浓度比Zn-PDOL高3倍）。XPS深度剖析显示，Zn²⁺还原被限制在锂金属表面5nm范围内，避免体相掺杂。

高压正极保护

4.5V Li||LCO电池在280次循环后容量保持率92%，DEMS检测不到CO₂/C₂H₄产气信号。TEM显示Zn-IBPE组LCO颗粒的CEI厚度仅9nm，而对照组出现20nm厚界面层及钴溶出（Co 2p XPS信号减弱80%）。体外实验证实Zn²⁺桥联网络可拦截99%的Co²⁺迁移。

实用化验证

10Ah SiO-石墨||NMC811电池在0.33C下实现303Wh kg^-1能量密度（总重量计），500次循环容量保持85.4%。18Ah锂金属||NMC90电池更创下452Wh kg^-1的记录，105次循环后容量保持95.2%。4Ah电池穿刺测试中，Zn-IBPE组电压仅下降0.3V且无烟无焰，而对照组发生热失控。

这项研究从根本上改变了聚醚电解质不能高压应用的认知。Zn²⁺桥联策略如同在醚氧原子周围构筑"电子护城河"，其5V稳定性远超现有聚合物电解质（通常<4.3V）。实际意义更为深远：18Ah级锂金属电池452Wh kg^-1的能量密度，使电动汽车续航突破800公里成为可能；而穿刺测试展现的安全性，则为解决锂金属电池燃烧难题提供新方案。该工作建立的"金属离子-醚氧配位"设计准则，为开发新一代高压聚合物电解质开辟道路，相关技术已应用于4Ah级电池的制造工艺中。