近日，福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院郑云教授在聚合物固态锂金属电池领域取得重要研究进展，相关成果以“Directionally Aligned “Mechanical Balance” Design Enables Near-Frictionless Li⁺ Transport in Polymer Electrolytes”为题，发表在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》（影响因子15.7，中科院一区）上。

 

定向“力学平衡”策略设计思路图

固态聚合物电解质（SPEs）因具备柔韧性、易加工性及良好电极界面兼容性而备受关注。然而传统SPE中强Li⁺−聚合物相互作用和曲折的离子传输途径，使其离子电导率本质上较低，成为制约电池性能提升的关键瓶颈。因此，为了解决这一基本挑战涉及双重优化：通过精心设计的Li⁺−聚合物相互作用来提高Li⁺迁移动力学，同时尽量缩短传输距离以提高传输效率。这对于开发高离子电导率的SPE至关重要。

受物理学中“机械平衡（Mechanical Balance, MB）”原理启发，团队提出一种具有创新的策略，通过在SPE中构建MB区，通过引入锚定阴离子簇对Li⁺产生的作用力，抵消Li⁺−聚合物之间过强的相互作用，从而显著降低Li⁺的解离能垒。进一步地，团队将所设计的氟化石墨烯/沸石咪唑骨架-8（FG/ZIF-8）支架与原位聚合的1,3-二氧戊环相结合，促使这些机械平衡区实现定向排列，最终构建出近乎无摩擦、传输路径极短的Li⁺传导通道。所得电解质在25 °C下表现1.2  mS cm⁻¹的卓越离子电导率和0.71的高锂离子迁移数。基于该电解质组装的Li||LiFePO₄电池在8 C倍率下展现出97.7  mAh g⁻¹的高倍率容量，并在4 C条件下循环3500次后仍能保持81%的初始容量。值得注意的是，该电解质还与高压LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料表现出优异的兼容性，并在实际软包电池中展现出卓越的安全性能和循环稳定性。本研究开创了一种通用的“机械平衡”范式，可用于设计具有高离子传导能力的先进聚合物电解质，为实现高性能准固态电池提供了新的思路与材料平台。

 

我院2022级博士生段松为该论文的第一作者。福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院为第一通讯单位。论文得到福州大学郑云教授、刘尧副教授、颜蔚教授和张久俊院士的共同指导。获得国家自然科学基金外国学者研究基金项目（22250710676）、福建省“闽江学者”奖励支持计划项目（XRC-23125）、福建省自然科学基金（2024J01261）、福建省中青年教师教育科研项目（JZ230002）等资助。

文章信息：Song Duan, Zongtao Lu, Yun Zheng, et al., Directionally Aligned “Mechanical Balance” Design Enables NearFrictionless Li⁺ Transport in Polymer Electrolytes, Journal of the American Chemical Society, 2025, Accept.

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c13961