福州大学郑云教授、张久俊院士AM：弱配位聚合物电解质+1

纳米人

2026-05-21

第一作者：郑云、段松

通讯作者：郑云、张久俊

通讯单位：福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院

论文DOI:  10.1002/adma.73393

1、全文速览

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。（郑云/张久俊团队近期相关成果：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），传统SPE中固有的强Li⁺−聚合物相互作用导致Li⁺解耦能垒过高，严重限制了Li⁺的传输动力学。为削弱这一相互作用，现有策略常引入路易斯酸性金属离子（如Cu²⁺、Mg²⁺、Al³⁺）或含固定金属位点的填料。然而，这些方法中移动的金属离子仅能随机、局部地削弱配位，而固定位点填料则易团聚且难以形成连续的低能垒路径，导致Li⁺传输路径中呈现高−低交替变化的能垒，无法实现全局性的快速传导。因此，克服这一挑战的关键在于均匀且持续地削弱Li⁺−聚合物配位，从而在整个传导路径上实现统一的低能量势垒。

近日，福州大学郑云教授/张久俊院士团队受固态物理学中“内建电场（Built-in Electric Field, BIEF）”原理启发，提出一种创新策略，沿聚合物链引入连续的路易斯酸性金属位点（正极侧），与聚合物基团（负极侧）之间形成BIEF诱导电荷重新分布，从而均匀削弱Li⁺−聚合物相互作用，显著降低整体Li⁺的解耦能垒。进一步地，将互连的沸石咪唑骨架材料（ZIF）支架与原位聚合的1,3-二氧戊烷（PDOL）相结合，使这些BIEF区沿聚合物链定向排列，最终构建出能垒持续降低且均匀的快速Li⁺传输通道。所得电解质在25 °C下表现1.14  mS cm⁻¹的卓越离子电导率和0.78的高Li⁺迁移数。基于该电解质组装的Li||LiFePO₄电池在2C倍率下循环5000次后仍能保持84%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“内建电场”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。

2、背景介绍

SPEs因其易加工性和优异的电极界面兼容性，被视为锂金属电池电解质的理想选择。然而，其固有的低离子电导率严重限制了实际应用。传统SPEs中，Li⁺与聚合物链间的过强相互作用导致离子迁移能垒高。尽管通过聚合物共混、交联或引入无机填料等策略可通过减低结晶度以及增加锂盐解离等方面部分提升离子传导，但如何从根本上降低Li⁺解耦能垒并优化传输动力学仍是巨大挑战。

3、本文亮点

（1）新型“内建电场”设计：当前已发表的研究工作中，为克服SPEs中Li⁺传输时存在的强Li⁺−聚合物相互作用难题，主要聚焦于对聚合物链进行结构修饰，例如引入非锂金属阳离子（如Cu²⁺、Mg²⁺、Al³⁺）或含固定金属位点的填料。然而，这些方法仅能实现局部、随机的配位削弱，未改性的位置仍然呈现出高解耦能垒，因此Li⁺整体传输路径仍呈现“高−低”交替变化的解耦能垒，未能从整体上消除强相互作用。针对以上问题，我们提出了一种新的策略，即构建一个连续的内建电场（BIEF）。通过沿聚合物链有序排列的金属路易斯酸性位点（如ZIF中的Zn²⁺，作为正极侧）与醚氧基团（作为负极侧）之间的电荷重分布，形成具备一致方向性的BIEF。该电场可均匀降低醚氧周围的电子云密度，从而持续、稳定地削弱Li⁺−聚合物配位作用，显著降低Li⁺在传输过程中的解耦能垒。这一策略将传统局部、随机的调控方式转变为全局、连续的弱配位环境，为高效Li⁺传导开辟了新路径。

（2）锂金属电池超长的循环稳定性：由此制备的内建电场聚合物电解质（BPE）在25 °C下表现出卓越的离子电导率（1.14 mS cm⁻¹）和高Li⁺迁移数（0.78），在已报道的SPEs中展现出高度竞争力。

所研发的BPE在Li||Li对称电池中展现出超过5000 h的卓越循环稳定性，这证实了我们开发的电解质在抑制枝晶生长方面的有效性。组装而成的Li||LiFePO₄（LFP）准固态电池在2C倍率下循环5000次后，库仑效率接近100%，并保持84%的容量保留率。此外，BPE与高容量正极材料LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂也展现出优异的兼容性，在1C倍率下循环500次后容量保持率为80%。另外，单层软包型Li||LFP电池同样表现出卓越的循环性能与安全特性。上述性能在当前（准）固态锂金属电池中均表现出高度竞争力。

4、图文解析

图1. 聚合物电解质中Li⁺迁移能垒降低策略与“内建电场”设计

作者设计了类似于固态物理学中“内建电场（BIEF）”机制，通过引入沿聚合物链有序排列的金属路易斯酸性位点（如ZIF中的Zn²⁺，作为正极侧）与醚氧基团（作为负极侧）之间的电荷重分布，形成具备一致方向性的BIEF。该电场均匀降低醚氧周围的电子云密度，从而持续、稳定地削弱Li⁺−聚合物配位作用，显著降低Li⁺在传输过程中的解耦能垒。

图2. BPE的结构设计与表征

图2展示了BPE的结构设计与表征。核磁共振和红外光谱分析证实了聚合反应的顺利进行，BPE中单体转化率达79.6%，高于传统PE的77.6%。SEM显示聚合后骨架膜中ZIF颗粒间的间隙消失，说明聚合物有效填充了ZIF骨架间隙。所制备的BPE膜展现出均匀的元素分布、良好的柔韧性和热稳定性，为其在电池中的实际应用提供了可靠保障。

图3. PE和BPE的电化学性能

变温电导率、活化能和Li⁺迁移数等测试结果表明：BPE表现出显著优于传统聚醚电解质（PE）的离子传导性能。通过⁷Li NMR，Raman以及Tafel等测试探索了离子迁移加速的机理，发现BPE中Li⁺与聚合物的配位作用减弱，且自由Li⁺比例更高，进一步促进了Li⁺的快速传导。此外，该电解质在高压下的氧化稳定性也显著提升，电化学窗口扩展至5.24 V，能够适配高压正极。原位EIS表征也证明了BPE比PE具备更低的界面阻抗和更稳定的循环稳定性。 

图4. Li⁺迁移机制的理论分析

作者通过DFT和MD理论计算，阐明了BPE中的配位结构以及离子迁移机制。DFT计算表明，Li⁺在BPE中的吸附能（−0.53 eV）远低于PE（−1.58 eV），说明其配位环境更弱，迁移能垒更低。MD模拟进一步表明，BPE中Li⁺的扩散系数显著高于PE，验证了其弱配位传导路径的有效性。 

图5.  准固态电池的电化学性能

Li||Li对称电池的测试结果表明，与PE相比，BPE表现出更好的循环稳定性。此外，COMSOL模拟进一步证实，PE体系中锂枝晶随机成核并产生局部电流积累，浓度梯度加剧其生长；而BPE体系则保持均匀锂沉积，通过增强的Li⁺传导实现界面快速补充和均匀通量，且枝晶尖端电流会自发重分布，从而有效抑制枝晶扩展。

图6.  准固态电池的电化学性能

BPE与多种正极均表现出良好的适配性，在Li||LFP和Li||NCM523电池中均展现出优异的循环性能。基于该体系组装的软包电池，在切割的极端条件下仍能稳定工作，并成功为LED灯板供电，显示出其在便携式电子设备和新型储能领域良好的应用潜力。

5、总结与展望

本研究提出了一种 “内建电场”（BIEF）策略，有效解决SPEs中Li⁺传导性能差的问题。引入沿聚合物链有序排列的金属路易斯酸性位点（如 ZIF 中的 Zn²⁺，作为正极侧）与醚氧基团（作为负极侧）之间的电荷重分布，形成一个方向性的BIEF。该电场均匀降低醚氧周围的电子云密度，从而持续、稳定地削弱 Li⁺−聚合物配位作用，显著降低Li⁺在传输过程中的解耦能垒。所开发的SPEs在Li||LFP和Li||NCM523电池中均展现出优异的倍率性能、容量保持率和循环稳定性。本工作为高性能SPEs设计开辟了新途径，并为先进储能系统和功能材料的开发提供了重要参考。

文献信息：

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 Materials 2026, e73393.

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.73393

作者介绍

郑云教授简介：郑云，教授、博导，福州大学材料科学与工程学院，担任新能源材料与工程研究院（张久俊院士团队）书记、福建省高能电池与新能源装备系统工程研究中心书记。清华大学博士（导师：张久俊 院士），滑铁卢大学博后（导师：陈忠伟 院士），回国后加入福州大学，入选国家教育部海外引才专项，福建省引才“百人计划”、福建省“闽江学者”特聘教授、福建省B类高层次人才，2024、2025全球前2%顶尖科学家（Stanford）、2024威立中国开放科学高贡献作者（Wiley），2024年度福州大学青年五四奖章。长期从事固态电池（弱配位聚合物电解质）方面的研究，近十年共发表SCI论文120余篇，其中以第一或通讯作者在CSR、EER、PMS、PNAS、Joule、JACS、Angew、AM、AEM、AFM等期刊上发表论文60余篇，包括15篇ESI高被引论文、热点文章和封面文章。授权/公布发明专利25项，撰写中英文学术专著3本，主持/参与国家级和省级科研项目10余项，受邀担任国际电化学能源科学院（IAOEES）理事、中国工业合作协会新材料与能源应用专业委员会理事，以及中国工程院院刊系列ENGINEERING Energy等领域知名期刊的青年编委、客座编辑和科学编辑。

段松，福州大学化工学院/材料科学与工程学院/新能源材料与工程研究院2022级在读博士生，师从张久俊院士和郑云教授。主要研究方向为固态/准固态电解质，目前已发表SCI论文19篇（IF＞15的12篇），其中以第一或共一作者在JACS、Angew、Adv. Mater.（2）等期刊上发表SCI论文8篇，包括热点/高被引/封面论文2篇。入选中国科协青年人才托举工程博士生专项计划（全国首批入选），入选福州大学博创计划，2024 Wiley中国开放科学高贡献作者，2025年 Wiley 最高浏览量文章，2025卢嘉锡优秀研究生奖（全国仅20人）。

张久俊教授简介：中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中国化学会会士、中国化工学会会士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学教授、博导，福州大学材料科学与工程学院院长、福州大学新能源材料与工程研究院院长。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO₂电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告900余篇，编著书30本，书章节51篇，被引用11.5万多次（H-Index为149）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编、中国工程院院刊能源分刊《ENGINEERING Energy》期刊副主编、中国化学化工出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。

课题组介绍

研究团队与平台介绍：为了响应和对接国家“碳达峰碳中和”重要战略决策，由张久俊院士领衔创建福州大学新能源材料与工程研究院（张久俊院士团队）。研究院面向新能源产业，研究前沿理论和先进技术，开发核心材料与关键部件，集成新能源系统与制备新能源装置，培养新能源领域的工程技术与运营管理人才等。研究院下设5个中心，其中氢能和燃料电池中心，主要开展电解水和燃料电池中的核心材料、高性能催化剂以及关键部件MEA膜的研发；先进储能和动力电池中心，主要开展下一代高能量密度电池，包括固态锂基电池和钠基电池等的研发和产业化；CO₂捕获和还原中心，主要开展CO₂电化学还原低碳燃料生产系统的催化剂以及装置的开发；原位技术中心，主要依托原位测试技术为新能源材料与工程研究提供技术保障与支撑；能源AI中心，主要通过计算机建模和机器学习技术，实现新能源材料与器件的快速筛选和结构设计，以及相关机理探究和过程优化。

研究院网站：https://newenergy.fzu.edu.cn/index.htm