聚合物基全固态锂金属电池中体相离子传导与界面化学的协同调控研究

为解决固态聚合物电解质(SPE)离子电导率低和界面稳定性差的难题，研究人员创新性引入三(五氟苯基)硼烷(TPFPB)作为固态增塑剂，通过多重离子-偶极相互作用(F???Li+ ???TFSI? 和B???TFSI? ???Li+ )构建多模式电解质环境，实现0.74 mS cm?1 的高Li+ 电导率和5000小时无枝晶循环，为全固态碱金属电池(ASSLMBs)提供新策略。

　　

锂金属电池因其超高能量密度被视为下一代储能技术的希望，但液态电解质的易燃性和锂枝晶生长问题始终是悬在头顶的达摩克利斯之剑。当科研界将目光转向固态电解质时，聚乙烯氧化物(PEO)基固态聚合物电解质(SPE)虽具有加工优势，却受困于"双低魔咒"——室温离子电导率低于10^?4
S/cm，且与锂金属的界面反应会引发枝晶穿透。传统解决方案如添加无机填料需5wt%以上载量，反而导致离子传输不均；液态增塑剂虽提高电导率却牺牲机械强度，犹如"拆东墙补西墙"。

江南大学研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表的突破性研究，创新性地采用具有给体-受体(D-A)特性的三(五氟苯基)硼烷(TPFPB)作为固态增塑剂。这种分子结构精妙——三个五氟苯基提供富电子F原子，中心B原子呈现缺电子特性，形成分子级"离子调控枢纽"。通过分子动力学模拟(MD)和实验验证，发现TPFPB能同时实现三重功效：降低PEO结晶度提升链段运动能力；通过F???Li⁺
???TFSI^?
和B???TFSI^?
???Li⁺
相互作用促进盐解离；优先还原形成LiF-rich SEI界面层。最终获得的TB-SPE在60℃下实现0.74 mS cm^?1
电导率和0.66 Li⁺
迁移数，Li/Li对称电池突破5000小时循环纪录，组装的LiFePO₄
全电池在2C倍率下500次循环容量保持率达86%。

关键技术方法包括：分子动力学模拟解析TPFPB与LiTFSI相互作用机制；差示扫描量热法(DSC)分析PEO结晶度变化；电化学阻抗谱(EIS)测试离子电导率；同步辐射X射线吸收谱(XAS)表征Li⁺
配位环境；冷冻电镜(cryo-EM)观察SEI微观结构。

【材料特性调控】MD模拟显示TPFPB加入使Li⁺
-N(TFSI^?
)键长波动加剧，盐解离能降低36.8%。DSC证实PEO结晶度从38.2%降至19.5%，玻璃化转变温度(T_g
)降低14℃。

【电化学性能】EIS测试显示TB-SPE电导率较对照组提升111%，Arrhenius拟合显示活化能降低29%。Li⁺
迁移数通过Bruce-Vincent法测得0.66，是传统SPE的2.4倍。

【界面稳定性】XPS证实TPFPB优先还原形成含LiF(68.5%)的SEI层。原位光学显微镜观察到TB-SPE组锂沉积呈现致密颗粒状，而对照组出现典型枝晶。

【全电池性能】Li|TB-SPE|LFP电池在0.5C初始放电容量达158.7 mAh/g，2C倍率下循环500次容量衰减率仅0.028%/次。NCM811高压正极体系同样展现优异循环稳定性。

该研究突破传统"单一功能改性"思路，通过分子设计同步解决体相传导与界面稳定两大难题。TPFPB的D-A特性实现"一石三鸟"：F原子促进Li⁺
解离、B原子锚定TFSI^?
、整体分子增强机械强度。所提出的"固态增塑剂"概念为柔性电子器件、固态电池等领域提供新范式，特别对开发高安全性能的电动汽车电池具有重要指导意义。研究团队特别指出，这种分子调控策略可拓展至钠/钾金属电池体系，为发展新型固态电解质开辟道路。