末端功能化聚合物电解质增强界面相容性构筑高稳定固态锂金属电池

【编辑推荐】针对固态锂金属电池(SSLMBs)中聚合物电解质(PEs)抗氧化稳定性差、界面兼容性不足的难题，研究人员通过分子设计开发了末端功能化聚合物电解质(TFPEs)。通过引入异氰酸酯(-NCO)取代末端羟基(-OH)，显著提升了PEs的抗氧化分解能力和界面稳定性。所制备的末端功能化聚(1,6-己二醇)碳酸酯二醇电解质(TFPCDL)具有4.7 V宽电化学窗口和3.75×10?4 S cm?1高离子电导率，组装的电池在4.5 V高压下循环100次后容量保持率达88%。该研究为高电压SSLMBs的电解质设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，固态锂金属电池(SSLMBs)因其高能量密度和本质安全性被视为下一代储能技术的"圣杯"。然而，作为核心部件的聚合物电解质(PEs)却面临两大"阿喀琉斯之踵"：在高压工况下易发生氧化分解，以及与电极的界面相容性差导致电池性能快速衰减。传统PEs末端的羟基(-OH)就像分子链上的"薄弱环节"，不仅容易在高电压下失去电子引发链式降解，还会与电极表面产生排斥作用。这就像试图用漏水的管道输送高压水流，严重制约了SSLMBs的商业化进程。

针对这一关键挑战，来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队独辟蹊径，提出了"末端手术"的创新策略——通过分子剪刀精准剪除-OH这个"不稳定基因"，代之以电子吸收能力更强的异氰酸酯(-NCO)基团。这种被称为末端功能化聚合物电解质(TFPCDL)的新材料，在《Journal of Materials Science》发表的研究中展现出令人惊艳的性能：抗电压能力提升至4.7 V，比传统PEs提高了约20%；室温离子电导率达到3.75×10^?4 S cm^?1，组装的电池在4.5 V高压下循环100次后仍保持88%容量，相当于每天仅衰减0.12%。

研究团队采用理论计算与实验验证相结合的方法，通过密度泛函理论(DFT)模拟不同分子构型的电子云分布，筛选出最优的链式聚合物骨架。利用原位聚合技术将-NCO基团精准嫁接在聚(1,6-己二醇)碳酸酯二醇链端，通过核磁共振(NMR)和X射线光电子能谱(XPS)证实了分子结构的成功改造。电化学阻抗谱(EIS)和线性扫描伏安法(LSV)测试揭示了材料卓越的离子传输性能和抗氧化能力。

【Electrochemical performance of different molecular structures】
理论计算表明，链式聚合物比环状结构具有更高的电子离域性，其最高占据分子轨道(HOMO)能级降低0.3 eV，使氧化分解所需的能量提升15%。分子动力学模拟显示，-NCO修饰使聚合物链端电子云密度降低27%，有效抑制了电子转移反应。

【Conclusions】
该研究开创性地证明末端基团工程是提升PEs性能的"黄金法则"。通过-NCO的"电子海绵"效应，不仅阻断了氧化降解的连锁反应，还在电极界面形成稳定的钝化层。这种"一石二鸟"的设计策略，为开发适用于5V级高压电池的电解质材料指明了方向。研究者特别指出，该技术可与现有锂电池生产线兼容，有望加速SSLMBs的商业化进程。

这项工作的意义不仅在于创造了性能纪录，更开辟了聚合物电解质分子设计的新范式。就像为电子搭建了"高速公路"和"防波堤"，既保证了锂离子的快速通行，又抵御了高电压的"惊涛骇浪"。随着进一步优化，这种智能电解质或将成为突破电池能量密度瓶颈的关键钥匙，推动电动汽车续航里程突破800公里大关。