研究背景
锂金属负极具有极高的理论比容量和最低的
电化学电位，被认为是下一代高比能
锂电池的重要
负极材料。与此同时，富锂
锰基正极等高容量
正极材料通常需要在4.5 V以上的高电压区间工作，以充分发挥其容量优势。聚合物固态电解质具有柔性好、易加工、界面接触充分以及安全性高等特点，是构筑固态锂金属电池的重要电解质体系。然而，目前聚合物固态电解质室温离子电导率偏低，难以满足高倍率充放电需求。在高电压正极侧容易发生氧化分解，难以长期适配4.5 V以上正极。聚合物电解质与锂金属负极之间的界面稳定性不足，可能诱发副反应和枝晶生长。 如何实现室温快速Li+传输、优异的高电压稳定性以及锂金属界面稳定性，是高电压全固态锂金属电池亟待解决的关键问题。
研究介绍
近日，上海大学徐志雄在王竹仪和袁帅研究员指导下，设计并制备了一种可兼容4.7 V正极的超薄聚合物基复合固态电解质，用于高电压锂金属电池。
该工作的核心在于对聚合物电解质中的Li+配位环境进行调控。研究人员通过削弱Li+与聚合物链段之间过强的配位作用，将部分被聚合物“深度束缚”的Li+释放出来，构建更加均一、地低活化能的微环境，从而促进Li+在聚合物电解质中的连续、快速跳迁。与此同时，优化后的Li+配位结构能够调节配对阴离子的电子结构，使阴离子优先发生分解，并在正极和负极界面形成稳定的富无机相界面膜。该界面膜有助于抑制电解质持续分解，改善高电压正极/电解质界面和锂金属/电解质界面的稳定性。
基于该超薄聚合物基复合电解质，作者实现了与4.7 V级正极材料匹配的高电压锂金属电池，并展现出良好的室温离子传输能力、氧化稳定性、锂金属界面稳定性以及循环性能。
该研究以“Ultrathin Polymer-Based Composite Electrolyte Compatible with 4.7 V Cathode for High-Voltage Li-Metal Batteries”为题，发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上。徐志雄为本文第一作者，王竹仪和袁帅为论文通讯作者。
核心内容
3.1 为什么要调控Li+配位环境?
在聚合物固态电解质中，Li+通常与聚合物链段上的极性官能团发生配位。适度的配位有利于锂盐解离，但如果Li+与聚合物之间的作用过强，Li+就容易被束缚在局部聚合物链段附近，形成迁移能垒较高的“陷阱”，从而导致Li+难以从聚合物链段中脱离，导致室温离子电导率降低;同时Li+和阴离子的局部溶剂化或配位结构不合理，难以形成稳定的正极和负极界面膜。
本研究并非单纯通过增加液态增塑剂来提高电导率，而是从电解质内部的微观配位结构出发，对聚合物、锂盐和复合组分之间的相互作用进行调节。经过优化后，部分Li+可以从深度结合的陷阱中释放出来，形成更加均匀的能量分布和Li+迁移通道。Li+不再局限于少数强配位位点，而是能够在相邻配位位点之间连续跳迁，从而改善室温离子传输。
此外，Li+配位环境的变化还会影响锂盐阴离子的电子结构和分解行为。与聚合物或溶剂发生无序分解相比，经过调控的阴离子可以优先参与界面膜形成，在正极侧和负极侧构筑富含无机组分的保护层。在正极侧降低高电压下电解质的持续氧化，在负极侧抑制锂金属与电解质之间的副反应。从而提升电池的循环稳定性。通过调控Li+与聚合物和阴离子之间的配位关系，同时实现“快速离子传输”和“稳定界面膜构筑”。
3.2 研究路线
3.2.1 构筑超薄聚合物基复合电解质
作者首先设计并制备了超薄聚合物基复合固态电解质，其中聚合物基体提供柔性和连续的离子传输环境;复合组分调节Li+与聚合物链段之间的相互作用;电解质膜的超薄结构降低离子传输距离和电池内阻。通过形貌和结构表征，作者分析了电解质膜的均匀性、连续性以及复合组分在聚合物基体中的分散状态，从而确认其适合作为电池
隔膜和固态电解质使用。
作者利用光谱和结构分析方法研究聚合物、锂盐以及复合组分之间的相互作用。相关结果表明，优化后的电解质能够削弱Li+的深度配位，改善Li+的局部迁移环境，并促进Li+在聚合物网络中的快速连续传输。进一步结合理论分析，作者揭示了Li+配位环境对离子迁移能垒和阴离子电子结构的影响，从微观层面解释了该电解质兼具高离子传输能力和高电压稳定性的原因。
图1. 固态电解质膜的电化学与物理化学性质
3.2.2 测试电化学性能
作者对不同电解质样品进行了离子电导率、温度依赖性以及电化学稳定窗口测试。结果显示，该复合电解质在室温下具有较好的离子传输性能，同时能够承受4.7 V级正极所对应的高电压环境，体现出较好的高电压适配能力。 通过Li||Li对称电池和锂沉积/剥离测试，作者考察了电解质对锂金属界面的调控效果。测试结果表明，优化后的复合电解质能够改善锂金属界面稳定性，为高电压锂金属电池的长期运行提供基础。作者进一步将该电解质与4.7 V级正极材料组装电池，评估其高电压适配性。结果表明，该超薄复合电解质能够有效抑制高电压下的界面副反应，降低界面阻抗增长，并提升高电压正极的循环稳定性。
图2. 复合聚合物电解质的配位结构与锂离子传输行为
3.2.3 揭示界面膜的组成和形成机制
作者通过界面化学分析、表面形貌观察以及循环后电极表征，研究正极和负极界面膜的形成。结果表明，优化后的Li+配位结构能够促进锂盐阴离子优先分解，在正极和负极两侧形成更加稳定、富含无机组分的界面层。其中，正极侧界面膜能够提高电解质的抗氧化能力，负极侧界面膜则有助于稳定锂沉积/剥离过程。正负极两侧界面的协同稳定，是该电解质能够兼容高电压正极和锂金属负极的重要原因。
核心结论
本文设计并制备了一种超薄聚合物基复合固态电解质。该电解质在降低膜厚和离子传输距离的同时，保持了良好的机械完整性和电化学性能。通过调控Li+配位环境提升室温离子传输能力。研究将Li+从深度聚合物陷阱中释放出来，构建更加均一的局部能量微环境，促进Li+在聚合物网络中的快速连续跳迁。实现了离子传输和界面稳定性的协同优化。Li+配位状态的改变不仅有利于Li+迁移，还能调节配对阴离子的电子结构，促进其优先分解并形成富无机相界面膜，同时稳定正极和负极界面。正极侧形成的保护性界面膜提升了电解质的抗氧化能力，负极侧界面膜则抑制了锂金属与电解质之间的副反应，并改善了锂沉积均匀性。实现了与4.7 V级正极匹配的锂金属电池。该研究为高能量密度全固态锂金属电池提供了新的电解质设计思路。
文献详情
Ultrathin Polymer-Based Composite Electrolyte Compatible with 4.7 V Cathode for High-Voltage Li-Metal Batteries
Advanced Functional Materials， 2026，DOI： 10.1002/adfm.76948
作者： Zhixiong Xu，Zhuyi Wang*，Yin Zhao，Yingying Lv，Liyi Shi，Zhihao Pan，Shuai Yuan*
作者简介
【通讯作者】
王竹仪，上海大学纳米科学与技术研究中心副研究员、博士生导师，近年来主要围绕固态电解质、隔膜及电极等锂离子电池
关键材料开展研究，在多功能复合薄膜制备、微/纳材料结构与性能表征、电池组装与性能分析，以及通过实验方法和理论计算研究电池内部界面结构与锂离子传输动力学方面积累了丰富经验。已承担完成两项国家自然科学基金项目、一项上海市自然科学基金项目及多项产学研合作项目;同时作为核心成员参与了多项国家自然科学基金及上海市科委重点支撑项目。研究成果发表在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science和Energy Storage Materials等国际知名期刊上，共发表SCI收录论文70余篇，被引次数超过5500次，H-index 33。其中，两篇入选ESI高被引论文，一篇入选ESI热点论文，拥有4项WO国际专利和18项授权中国发明专利。
袁帅，上海大学纳米科学与技术研究中心研究员、博士生导师，担任理学院副院长、材料复合及先进分散技术教育部工程研究中心副主任等职务。在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials等期刊发表SCI论文170余篇，被引8000余次，H-index 56。为两部英文专著撰写章节。申请发明专利110余项，获得WO国际专利4项，及50余项中国授权专利。获省部级奖励1项。担任中国颗粒学会青年理事、上海颗粒学会秘书长、Research on Chemical Intermediates期刊编委等学术职务等。
【第一作者】
徐志雄简介：上海大学纳米科学与技术研究中心硕士研究生，主要研究方向为聚合物基固态电解质材料制备及应用。
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