基于聚轮烷动态滑移交联聚合物电解质的高性能固态锂金属电池设计

针对固态锂金属电池(LMBs)中锂枝晶生长和电极体积变化导致的界面失效问题，研究人员通过原位共聚乙烯基伪聚轮烷(PPRx=)和碳酸亚乙烯酯(VC)，开发了具有分子滑轮效应的动态滑移交联聚合物电解质(PPRx-PVC)。该材料兼具2 GPa的杨氏模量和0.78的Li+ 迁移数，在0.5 mA cm?2 下实现1300小时稳定循环，Li||LiFePO4 全电池200次循环容量保持率达93.2%，为高安全性LMBs提供了新型电解质设计范式。

　　

固态锂金属电池被誉为下一代高能量密度储能系统的"圣杯"，但其发展长期受困于两大难题：液态电解质的易燃易泄漏特性，以及锂金属负极在循环过程中不可控的枝晶生长和体积膨胀。这些缺陷不仅导致电池短路风险，更引发界面持续劣化，造成容量骤降。尽管传统交联聚合物电解质通过刚性-柔性网络设计提升了机械强度，但静态共价交联结构牺牲了动态适应性，难以协调离子传输与界面应力消散的矛盾。

为解决这一关键科学问题，山东自然科学基金联合基金支持的研究团队创新性地将聚轮烷(PR)的"分子滑轮"机制引入电解质设计。通过简化伪聚轮烷(PPRx=)的合成步骤，与碳酸亚乙烯酯(VC)原位共聚构建动态滑移交联网络(PPRx-PVC)，相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱解析离子传输机制，通过原子力显微镜(AFM)表征力学性能，结合电化学阻抗谱(EIS)评估界面稳定性。系统优化聚乙二醇(PEG)分子量(M_n
≈20,000 g mol^?1
)，发现网络拓扑结构与性能的构效关系。

材料合成与表征
研究团队突破传统四步合成法的限制，开发两步法制备乙烯基修饰的PPRx=。核磁共振氢谱(¹
H NMR)证实α-环糊精(α-CD)与PEG的成功组装，热重分析(TGA)显示材料在300°C内保持稳定。通过调控PEG分子量获得系列PPRx-PVC电解质，其中PPR20000-PVC展现最优性能组合。

力学与电化学性能
动态滑移结构使材料同时具备2 GPa的杨氏模量和150%的断裂伸长率。循环伏安(CV)测试显示4.85 V的电化学稳定窗口，交流阻抗谱测得Li⁺
迁移数达0.78，归因于α-CD沿PEG主链的可逆滑移促进锂盐解离。

电池性能验证
在0.5 mA cm^?2
电流密度下，PPR20000-PVC实现1300小时锂沉积/剥离循环，扫描电镜(SEM)证实无枝晶形成。组装的Li||LiFePO₄
全电池在0.5C倍率下循环200次容量保持率93.2%，优于刚性交联电解质对照组。

该研究开创性地将超分子机械互锁概念引入固态电解质设计，通过动态滑移交联网络同步解决机械强度与界面适配的悖论。分子滑轮机制不仅有效消散电极体积变化产生的应力，还通过可逆的拓扑重构维持高效离子通道。这种"刚柔并济"的设计策略为开发兼具安全性、长循环寿命和高能量密度的固态锂电池提供了新思路，标志着聚合物电解质从静态网络向动态自适应系统的范式转变。特别值得注意的是，简化的合成路线大幅提升了材料工程化应用的可行性，为下一代储能器件的发展奠定了重要基础。