近日，我室陈嘉嘉教授、吴伟泰教授在聚合物电解质用于构建高性能固态电池研究领域取得重要进展，相关研究成果以“Interfacial Microgel Self-Assembly Engineered for Superionic Conduction in PVDF Electrolyte”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上（DOI: 10.1002/anie.202523190）。

PVDF聚合物固态电解质凭借优异的机械强度与热稳定性，在适配高电压正极与锂金属负极以构建高能量密度电池方面展现出巨大潜力。然而，其内部复杂的离子输运过程仍受到多种因素的限制。特别是依赖残余溶剂分子与锂离子间的强亲和力所诱导形成的[Li(DMF)_x]⁺或[Li(NMP)_x]⁺溶剂化结构，在提升离子传输效率与优化电极/电解质界面反应方面存在明显的局限性。如何在这一多相复杂体系中构建连续且高效的离子输运路径，已成为发展高性能固态锂金属电池亟需解决的核心挑战。

针对这一问题，陈嘉嘉教授团队与吴伟泰教授团队合作，设计了一种富含醚氧和酯基的纳米尺寸微凝胶颗粒，进而制备了一种复合电解质M_(D)—PVDF-HFP。通过密度泛函理论（DFT）计算、分子动力学模拟以及小角X射线散射（SAXS），揭示了M_(D)—PVDF-HFP中分子相互作用的层级结构，实现了离子介导的界面微凝胶自组装。纳米微凝胶中的极性基团被整合到溶剂−聚合物离子传导网络中，从而有效调控局部离子配位环境。得益于此，M_（D）—PVDF-HFP在室温下表现出4.54 × 10−4 S cm⁻¹的高离子电导率、0.63的高Li⁺迁移数，以及4.8 V的高氧化分解电压。值得注意的是，恒电流电化学阻抗谱结合弛豫时间分布分析、有限元模拟，揭示了M_(D)—PVDF-HFP具有更快速的外场响应特性，更高且更均一的Li⁺通量。这些特性使离子迁移过程能够在电极/电解质界面反应初期实现与界面电化学反应动力学的速率匹配，更多离子物种参与界面反应并主导SEI的构建。基于M_(D)—PVDF-HFP组装的锂对称电池表现出更高的极限电流密度（2.5 mA cm⁻²）与优异的循环稳定性。此外，组装的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂||M_(D)—PVDF-HFP||Li全固态电池即使在约2.0 mAh cm⁻²的高面积容量负载下也能提供181.08 mAh g⁻¹的初始可逆比容量。这些结果表明，具有可调控官能团和尺寸结构的微凝胶为聚合电解质提供了一种创新性的设计策略。

该工作在陈嘉嘉教授和吴伟泰教授共同指导下完成。本院2023级硕士生陈燕萍、2022级博士生方承东和2023级硕士生林清泉为本论文的第一作者。博士后孙鹏飞，博士生张曙、张金蒙、张豪杰，硕士生周子豪，工程师冯柳宾参与了部分工作。该研究工作得到了国家自然科学基金（22393901、22021001、 22272143、22441030），中国科学院抢占科技制高点重大任务（LDES150000、GJ15020403），国家重点研发计划（2021YFA1502300），中央高校基本科研业务费专项资金（20720220009），福建省自然科学基金（2024J01213135）等的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202523190