近日，我室陈嘉嘉教授团队在聚电解质结构精准设计及其自组装行为定向调控机制研究方面取得重要进展，相关研究成果以“Self-assembled ionic clusters accelerate Li-ion transport through microphase-separated polyelectrolytes”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上（DOI: 10.1002/anie.202525597）。
分子尺度离子配位环境与介观形貌结构的精准调控，是实现固态聚合物电解质离子电导率与机械性能协同提升的关键。然而，在聚电解质体系中，离子聚集行为及其传输机制的系统研究仍相对匮乏。如何通过可控的聚合物化学结构设计，诱导稳定的离子簇自组装并优化离子传输通道，从而加速锂离子输运过程，是当前亟待突破的重要科学问题。这一策略有望弥补甚至超越现有结构材料的性能瓶颈，为高性能聚电解质体系的构建提供新的理论基础与设计范式。
针对这一问题，陈嘉嘉教授团队与苏州大学王建军团队、鲁汶大学Alexandru Vlad团队合作，设计了一种由聚四氢呋喃（PTMG）软段和二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）硬段交替构成的聚氨酯基弹性体，在硬段中引入—SO3−基团，在保持高应变与高韧性的同时，实现了向弹性聚电解质的转变。通过进一步容纳LiFSI和EMImFSI离子液体，成功制备具备独特结构的弹性微相分离聚电解质（EMP）。软硬段间固有的热力学不相容性以及聚合物与离子间的特异性相互作用驱动微相分离，协同离子间的强相互作用诱导显著的离子自组装，从而形成稳定的微相形貌。对离子微环境与介观形貌的定向设计，赋予了EMP卓越的机械强度、自修复能力及电化学性能：在25°C下 ，其离子电导率为2.9 × 10−4 S cm−1，锂离子迁移数达0.67。恒电流电化学阻抗谱结合弛豫时间分布分析，揭示了EMP独特的场响应特性，随着电流密度的增加，其离子电导率能够从4.1 × 10−4 S cm−1提升至1.9 × 10−3 S cm−1。组装的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2|EMP|Li电池，在~2.0 mAh cm−2的高负载量和0.2 mA cm−2的电流密度下，50次循环后的容量保持率高达93.92%。本研究通过展示如何利用超分子离子自组装实现离子传输、力学性能与电化学稳定性的协同耦合，为高性能固态锂电池的开发提供了全新的设计思路。
该工作在陈嘉嘉教授的指导下完成。本院2022级博士生方承东和2021级硕士张宇航（已毕业）为本论文的第一作者，2023级博士生张曙、博士后孙鹏飞、博士后李科、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（LDES15 0000、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.202525597
友情链接：