科学研究

近日，西北工业大学苗宗成教授与合作者创新性地提出并构筑了一种空间图案化氧基团的液晶弹性体电解质，通过独特的“锚定-中继”机制，成功解耦了锂盐解离与离子迁移这两个长期矛盾的过程，实现了室温下优异的综合性能。相关论文以“Spatially Orchestrated Oxygen Motifs Decouple Ion Dissociation/Migration in Liquid Crystal Elastomer for High- Performance Solid-State Li Metal Batteries”为题，发表在化学领域国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。西北工业大学光电与智能研究院苗宗成教授与其硕士研究生严瑞为论文共同第一作者，上海理工大学窦世学院士和西京学院贺泽民教授、张星星副教授为论文共同通讯作者。

固态聚合物电解质因其高安全性和良好的加工性，被视为下一代高能量密度锂电池的理想选择。然而，其发展长期受困于一个根本性矛盾：强配位基团（如羰基）利于解离锂盐但束缚离子迁移，而弱配位基团（如醚键）利于离子传输却不利于盐的解离。这一矛盾导致传统电解质难以同时实现高离子电导率、高锂离子迁移数和良好的界面稳定性。

面对这一挑战，研究团队独辟蹊径，将液晶弹性体这一兼具液晶取向有序性与网络弹性的材料体系引入电解质设计。他们通过精准的分子工程，在聚合物网络中实现了羰基与醚键的空间分区分布：富含羰基的微区作为固定的“锚点”，利用强配位作用高效解离锂盐（LiTFSI）；而与之相连的、富含醚键的液晶介观相则作为定向排列的“中继通道”，为锂离子提供低势垒的快速迁移路径。这种“功能空间分立”的设计，从根源上打破了离子解离与迁移的耦合限制。

图1 通过空间调控氧配位结构，实现了锂离子传输的协同“锚定-传递”机制

基于该策略合成的多交联液晶弹性体电解质（RES-SPE）表现出卓越的性能：室温离子电导率达4.05×10⁻³S cm⁻¹，锂离子迁移数高达0.78。得益于协同作用诱导形成的富含LiF的稳定固态电解质界面，该电解质能有效抑制锂枝晶生长。基于该电解质的对称Li//Li电池可在0.1 mA cm⁻²下稳定循环超过1000小时，过电位仅约200 mV。匹配LiFePO₄正极的全电池在1C倍率下循环500次后容量保持率高达90.1%；匹配高电压LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂正极也展现出优异的倍率性能和循环稳定性。

图2 通过理论与实验揭示了羰基氧与醚键氧在Li⁺溶解、迁移中的差异作用及协同运输

该研究不仅报道了一种高性能固态电解质材料，更从原理上提出了一种全新的离子传输设计范式——通过空间有序的分子功能分区，实现离子输运过程不同环节的解耦与协同。研究所采用的紫外光聚合制备方法快速、温和，与卷对卷生产工艺兼容性好，为新一代固态电池电解质的设计与规模化制备提供了极具价值的平台和思路。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202522322

（文：严瑞，审核：赵斌）