第一作者：鄭云、段松；通訊作者：鄭云、張久俊

通訊單位：福州大學材料科學與工程學院、新能源材料與工程研究院

論文DOI:10.1002/adma.73393

1、全文速覽：

固態聚合物電解質（SPEs）因具備柔韌性、易加工性及良好電極界面兼容性而備受關注。（鄭云/張久俊團隊近期相關成果：Adv. Energy Mater.,2025, e01760; Adv. Mater., 2024, 36, 2314120; Adv. Funct. Mater., 2025, e11011; Adv. Mater., 2025, e05695; Adv. Mater., 2025, e10197; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e202508857; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e202502728; J. Am. Chem. Soc., 2026, 148, 2972-2984; J. Am. Chem. Soc., 2026, 148, 16, 17356-17371），傳統SPE中固有的強Li+?聚合物相互作用導致Li+解耦能壘過高，嚴重限制了Li+的傳輸動力學。為削弱這一相互作用，現有策略常引入路易斯酸性金屬離子（如Cu2+、Mg2+、Al3+）或含固定金屬位點的填料。然而，這些方法中移動的金屬離子僅能隨機、局部地削弱配位，而固定位點填料則易團聚且難以形成連續的低能壘路徑，導致Li?傳輸路徑中呈現高?低交替變化的能壘，無法實現全局性的快速傳導。因此，克服這一挑戰的關鍵在于均勻且持續地削弱Li??聚合物配位，從而在整個傳導路徑上實現統一的低能量勢壘。

近日，福州大學鄭云教授/張久俊院士團隊受固態物理學中“內建電場（Built-in Electric Field, BIEF）”原理啟發，提出一種創新策略，沿聚合物鏈引入連續的路易斯酸性金屬位點（正極側），與聚合物基團（負極側）之間形成BIEF誘導電荷重新分布，從而均勻削弱Li??聚合物相互作用，顯著降低整體Li?的解耦能壘。進一步地，將互連的沸石咪唑骨架材料（ZIF）支架與原位聚合的1,3-二氧戊烷（PDOL）相結合，使這些BIEF區沿聚合物鏈定向排列，最終構建出能壘持續降低且均勻的快速Li?傳輸通道。所得電解質在25°C下表現1.14 mScm?1的卓越離子電導率和0.78的高Li+遷移數。基于該電解質組裝的Li||LiFePO4電池在2C倍率下循環5000次后仍能保持84%的初始容量。值得注意的是，該電解質還與高壓LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料表現出優異的兼容性，并在實際軟包電池中展現出卓越的安全性能和循環穩定性。本研究開創了一種通用的“內建電場”范式，可用于設計具有高離子傳導能力的先進聚合物電解質，為實現高性能準固態電池提供了新的思路與材料平臺。

2、背景介紹：

SPEs因其易加工性和優異的電極界面兼容性，被視為鋰金屬電池電解質的理想選擇。然而，其固有的低離子電導率嚴重限制了實際應用。傳統SPEs中，Li+與聚合物鏈間的過強相互作用導致離子遷移能壘高。盡管通過聚合物共混、交聯或引入無機填料等策略可通過減低結晶度以及增加鋰鹽解離等方面部分提升離子傳導，但如何從根本上降低Li+解耦能壘并優化傳輸動力學仍是巨大挑戰。

3、本文亮點：

（1）新型“內建電場”設計：當前已發表的研究工作中，為克服SPEs中Li+傳輸時存在的強Li+?聚合物相互作用難題，主要聚焦于對聚合物鏈進行結構修飾，例如引入非鋰金屬陽離子（如Cu2+、Mg2+、Al3+）或含固定金屬位點的填料。然而，這些方法僅能實現局部、隨機的配位削弱，未改性的位置仍然呈現出高解耦能壘，因此Li+整體傳輸路徑仍呈現“高?低”交替變化的解耦能壘，未能從整體上消除強相互作用。針對以上問題，我們提出了一種新的策略，即構建一個連續的內建電場（BIEF）。通過沿聚合物鏈有序排列的金屬路易斯酸性位點（如ZIF中的Zn2+，作為正極側）與醚氧基團（作為負極側）之間的電荷重分布，形成具備一致方向性的BIEF。該電場可均勻降低醚氧周圍的電子云密度，從而持續、穩定地削弱Li+?聚合物配位作用，顯著降低Li+在傳輸過程中的解耦能壘。這一策略將傳統局部、隨機的調控方式轉變為全局、連續的弱配位環境，為高效Li+傳導開辟了新路徑。

（2）鋰金屬電池超長的循環穩定性：由此制備的內建電場聚合物電解質（BPE）在25 °C下表現出卓越的離子電導率（1.14 mS cm?1）和高Li+遷移數（0.78），在已報道的SPEs中展現出高度競爭力。

所研發的BPE在Li||Li對稱電池中展現出超過5000 h的卓越循環穩定性，這證實了我們開發的電解質在抑制枝晶生長方面的有效性。組裝而成的Li||LiFePO4（LFP）準固態電池在2C倍率下循環5000次后，庫侖效率接近100%，并保持84%的容量保留率。此外，BPE與高容量正極材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2也展現出優異的兼容性，在1C倍率下循環500次后容量保持率為80%。另外，單層軟包型Li||LFP電池同樣表現出卓越的循環性能與安全特性。上述性能在當前（準）固態鋰金屬電池中均表現出高度競爭力。

4、圖文解析：

圖1. 聚合物電解質中Li+遷移能壘降低策略與“內建電場”設計

作者設計了類似于固態物理學中“內建電場（BIEF）”機制，通過引入沿聚合物鏈有序排列的金屬路易斯酸性位點（如ZIF中的Zn2+，作為正極側）與醚氧基團（作為負極側）之間的電荷重分布，形成具備一致方向性的BIEF。該電場均勻降低醚氧周圍的電子云密度，從而持續、穩定地削弱Li+?聚合物配位作用，顯著降低Li+在傳輸過程中的解耦能壘。

圖2. BPE的結構設計與表征

圖2展示了BPE的結構設計與表征。核磁共振和紅外光譜分析證實了聚合反應的順利進行，BPE中單體轉化率達79.6%，高于傳統PE的77.6%。SEM顯示聚合后骨架膜中ZIF顆粒間的間隙消失，說明聚合物有效填充了ZIF骨架間隙。所制備的BPE膜展現出均勻的元素分布、良好的柔韌性和熱穩定性，為其在電池中的實際應用提供了可靠保障。

圖3. PE和BPE的電化學性能

變溫電導率、活化能和Li+遷移數等測試結果表明：BPE表現出顯著優于傳統聚醚電解質（PE）的離子傳導性能。通過7Li NMR，Raman以及Tafel等測試探索了離子遷移加速的機理，發現BPE中Li+與聚合物的配位作用減弱，且自由Li+比例更高，進一步促進了Li+的快速傳導。此外，該電解質在高壓下的氧化穩定性也顯著提升，電化學窗口擴展至5.24 V，能夠適配高壓正極。原位EIS表征也證明了BPE比PE具備更低的界面阻抗和更穩定的循環穩定性。

圖4. Li+遷移機制的理論分析

作者通過DFT和MD理論計算，闡明了BPE中的配位結構以及離子遷移機制。DFT計算表明，Li+在BPE中的吸附能（?0.53 eV）遠低于PE（?1.58 eV），說明其配位環境更弱，遷移能壘更低。MD模擬進一步表明，BPE中Li+的擴散系數顯著高于PE，驗證了其弱配位傳導路徑的有效性。

圖5. 準固態電池的電化學性能

Li||Li對稱電池的測試結果表明，與PE相比，BPE表現出更好的循環穩定性。此外，COMSOL模擬進一步證實，PE體系中鋰枝晶隨機成核并產生局部電流積累，濃度梯度加劇其生長；而BPE體系則保持均勻鋰沉積，通過增強的Li+傳導實現界面快速補充和均勻通量，且枝晶尖端電流會自發重分布，從而有效抑制枝晶擴展。

圖6. 準固態電池的電化學性能

BPE與多種正極均表現出良好的適配性，在Li||LFP和Li||NCM523電池中均展現出優異的循環性能。基于該體系組裝的軟包電池，在切割的極端條件下仍能穩定工作，并成功為LED燈板供電，顯示出其在便攜式電子設備和新型儲能領域良好的應用潛力。

5、總結與展望：

本研究提出了一種“內建電場”（BIEF）策略，有效解決SPEs中Li+傳導性能差的問題。引入沿聚合物鏈有序排列的金屬路易斯酸性位點（如 ZIF 中的 Zn2+，作為正極側）與醚氧基團（作為負極側）之間的電荷重分布，形成一個方向性的BIEF。該電場均勻降低醚氧周圍的電子云密度，從而持續、穩定地削弱 Li+?聚合物配位作用，顯著降低Li+在傳輸過程中的解耦能壘。所開發的SPEs在Li||LFP和Li||NCM523電池中均展現出優異的倍率性能、容量保持率和循環穩定性。本工作為高性能SPEs設計開辟了新途徑，并為先進儲能系統和功能材料的開發提供了重要參考。

6、文獻信息：

Yun Zheng, Song Duan, Sijie Liu, Tianzhu Zhang, Xiang Liu, Bingsen Qin, Zongtao Lu, Tao Wang, Hongyao Wang, Lifen Zhang, Maojun Pei, Jiaming Xu, Yao Liu, Wei Yan, and Jiujun Zhang, “Built-in Electric Field” Design Enables Rapid Li+ Transport in Polymer Electrolyte.Advanced Materials2026, e73393.

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.73393

7、作者介紹

鄭云教授簡介：鄭云，教授、博導，福州大學材料科學與工程學院，擔任新能源材料與工程研究院（張久俊院士團隊）書記、福建省高能電池與新能源裝備系統工程研究中心書記。清華大學博士（導師：張久俊院士），滑鐵盧大學博后（導師：陳忠偉院士），回國后加入福州大學，入選國家教育部海外引才專項，福建省引才“百人計劃”、福建省“閩江學者”特聘教授、福建省B類高層次人才，2024、2025全球前2%頂尖科學家（Stanford）、2024威立中國開放科學高貢獻作者（Wiley），2024年度福州大學青年五四獎章。長期從事固態電池（弱配位聚合物電解質）方面的研究，近十年共發表SCI論文120余篇，其中以第一或通訊作者在CSR、EER、PMS、PNAS、Joule、JACS、Angew、AM、AEM、AFM等期刊上發表論文60余篇，包括15篇ESI高被引論文、熱點文章和封面文章。授權/公布發明專利25項，撰寫中英文學術專著3本，主持/參與國家級和省級科研項目10余項，受邀擔任國際電化學能源科學院（IAOEES）理事、中國工業合作協會新材料與能源應用專業委員會理事，以及中國工程院院刊系列ENGINEERING Energy等領域知名期刊的青年編委、客座編輯和科學編輯。

段松，福州大學化工學院/材料科學與工程學院/新能源材料與工程研究院2022級在讀博士生，師從張久俊院士和鄭云教授。主要研究方向為固態/準固態電解質，目前已發表SCI論文19篇（IF＞15的12篇），其中以第一或共一作者在JACS、Angew、Adv. Mater.（2）等期刊上發表SCI論文8篇，包括熱點/高被引/封面論文2篇。入選中國科協青年人才托舉工程博士生專項計劃（全國首批入選），入選福州大學博創計劃，2024 Wiley中國開放科學高貢獻作者，2025年 Wiley 最高瀏覽量文章，2025盧嘉錫優秀研究生獎（全國僅20人）。

張久俊教授簡介：中國工程院外籍院士、加拿大皇家科學院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中國化學會會士、中國化工學會會士、國際電化學學會會士、英國皇家化學會會士、國際先進材料協會會士、國際電化學能源科學院（IAOEES）主席、中國內燃機學會常務理事兼燃料電池發動機分會主任委員，現任福州大學教授、博導，福州大學材料科學與工程學院院長、福州大學新能源材料與工程研究院院長。張教授長期從事電化學能源存儲和轉換及其材料的研究和產業化應用開發，包括燃料電池、高比能二次電池、超級電容器、CO2電化學還原和水電解等。至今已發表論文及科技報告900余篇，編著書30本，書章節51篇，被引用11.5萬多次（H-Index為149）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主編、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》叢書主編、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主編、中國工程院院刊能源分刊《ENGINEERING Energy》期刊副主編、中國化學化工出版社大型叢書《電化學能源儲存和轉換》及《氫能技術》主編及多個國際期刊的編委。

課題組介紹：

研究團隊與平臺介紹：為了響應和對接國家“碳達峰碳中和”重要戰略決策，由張久俊院士領銜創建福州大學新能源材料與工程研究院（張久俊院士團隊）。研究院面向新能源產業，研究前沿理論和先進技術，開發核心材料與關鍵部件，集成新能源系統與制備新能源裝置，培養新能源領域的工程技術與運營管理人才等。研究院下設5個中心，其中氫能和燃料電池中心，主要開展電解水和燃料電池中的核心材料、高性能催化劑以及關鍵部件MEA膜的研發；先進儲能和動力電池中心，主要開展下一代高能量密度電池，包括固態鋰基電池和鈉基電池等的研發和產業化；CO2捕獲和還原中心，主要開展CO2電化學還原低碳燃料生產系統的催化劑以及裝置的開發；原位技術中心，主要依托原位測試技術為新能源材料與工程研究提供技術保障與支撐；能源AI中心，主要通過計算機建模和機器學習技術，實現新能源材料與器件的快速篩選和結構設計，以及相關機理探究和過程優化。

研究院網站：https://newenergy.fzu.edu.cn/index.htm

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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