第一作者： 汪鴻遙；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、福建省高能電池及新能源設備與系統工程研究中心

論文DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.6c03577

一、全文速覽：

固態鋰金屬電池因其高能量密度和本質安全性，已成為儲能領域的研究前沿。（eTransportation, 2024, 20, 100311; 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）。其中，聚醚類電解質（PEs）憑借優異的界面兼容性與加工性能，被視為理想體系。然而，其始終受限于離子電導率和Li+遷移數偏低這一核心瓶頸，根源在于“解離?傳輸”悖論：Li+?聚合物強相互作用雖有利于鋰鹽解離，卻會抑制Li+遷移?，F有結構調控或組分優化策略，仍難以同時兼顧高自由Li+濃度與快速Li+傳輸。

近日，福州大學鄭云教授、張久俊院士團隊提出“催化功能域”策略，從反應動力學角度重構Li+傳輸機制。該工作將Li+傳導過程歸結為兩類關鍵可逆反應：鋰鹽解離/復合（LiTFSI ? Li+ + TFSI?）與Li?配位/解配位（Li+?O ? Li+ + ?O?），并通過催化調控實現協同優化。具體而言，研究通過原位聚合引入具有弱路易斯酸性和高介電特性的Ti4+位點，構建催化功能域。一方面，Ti4+錨定陰離子（TFSI?），促進鋰鹽解離并提升自由Li+濃度；另一方面其吸電子效應削弱Li+?聚合物配位，加速解配位過程，從而協同破解“解離?傳輸悖論”，顯著提升Li+傳導能力。

得益于此，所裝配的Li||Li對稱電池穩定循環超過2800小時；Li||NCM523與Li||NCM811全電池在1C下分別循環600圈和403圈后，仍可保持82.4%和80%的容量保持率，展現出優異的循環穩定性。這項工作提出的“催化功能域”策略為高性能鋰金屬電池的聚合物電解質設計開辟了新的思路與方向。

二、本文亮點

（1）基于催化反應的新型Li+傳導理論框架。作者突破傳統將Li?傳導視為物理過程的認知，首次從催化反應視角重構其機制，將Li+傳輸歸結為兩類關鍵可逆反應：鋰鹽解離/復合（LiTFSI ? Li+ + TFSI?）與Li+耦合/解耦（Li+?O ? Li+ + ?O?）。該框架將復雜的離子傳導問題轉化為可調控的化學反應過程，為高性能聚合物電解質設計提供了全新的理論基礎。

（2）“催化功能域”策略實現解離-傳輸協同優化。針對“解離?傳輸悖論”，作者在聚醚電解質中構建催化功能域，通過引入具有弱路易斯酸性和高介電特性的Ti4+位點，實現雙重調控：一方面錨定陰離子以促進鋰鹽解離、提高自由Li+濃度；另一方面通過吸電子效應削弱Li+?聚合物配位，加速Li+遷移過程，從而協同提升離子傳輸效率。該電解質在室溫下實現1.14 mS·cm?1的離子電導率和0.77的Li+遷移數，性能處于同類體系前列。

（3）長壽命、高穩定性鋰金屬電池性能。得益于催化調控的快速Li+傳導，所構建的催化調控聚醚電解質（CPPE）展現出優異的電化學穩定性：Li||Li對稱電池穩定循環超過2800小時；Li||NCM523與Li||NCM811全電池在1C倍率下循環600次和403次后仍保持82.4%和80%的容量，表現出優異的長循環壽命。該結果驗證了“催化功能域”策略在實現高效傳導與界面穩定方面的顯著優勢，為高能量密度、且長壽命的固態鋰金屬電池發展提供了新方向。

三．主要內容：

圖1.“催化功能域”策略的設計原則和鋰離子傳輸機制

作者巧妙引入具有弱路易斯酸性和高介電特性的Ti4+位點，實現雙重調控：一方面錨定陰離子以促進鋰鹽解離、提高自由Li+濃度；另一方面通過吸電子效應削弱Li+?聚合物配位，加速Li+遷移過程，從而協同提升離子傳輸效率，最終實現了兼具長壽命與高穩定性的準固態鋰金屬電池。

圖2.“催化功能域”策略的CPPE的化學環境表征和模擬

作者通過表面靜電勢和差分電荷密度模擬表明，在PDOL基電解質中引入Ti4+基材料可有效削弱EO的電子云密度。進一步結合傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、X射線光電子能譜（XPS）及同步輻射技術對CPPE進行深入表征，證實了Ge4+與PDOL中醚氧（EO）之間存在吸電子效應。具體而言，Ti4+位點一方面削弱了Li+與EO之間的強配位，另一方面與EO形成了弱配位結構，加速Li+遷移過程，從而協同提升離子傳輸效率。該研究從分子模擬與實驗表征兩方面，為“催化功能域”策略提供了堅實的理論與實驗證據。

圖3.“催化功能域”策略的CPPE的基本電化學性能

作者進一步對CPPE的電化學性能及離子傳輸行為進行了系統表征。拉曼光譜結果表明，“催化功能域”中引入的具有弱路易斯酸性和高介電特性的Ti4+位點可有效促進鋰鹽解離，從而提高體系中自由Li?濃度。進一步結合核磁共振分析，7Li NMR結果顯示Li+與聚醚鏈段中EO基團的配位作用明顯減弱，而19F NMR結果則表明TFSI?陰離子運動受到有效限制。上述結果共同證明該策略實現了“解離?傳輸”的協同調控，從而使CPPE展現出優異的Li+導電性，室溫下離子導電率達到1.14 mS cm?1，Li+遷移數高達0.77。

圖4.“催化功能域”策略的CPPE的理論計算

為進一步揭示CPPE中Li+快速傳導的內在機理，作者結合密度泛函理論（DFT）與分子動力學（MD）模擬開展了系統研究。DFT結果表明，相較于對比體系PPE，CPPE中Li+在相鄰EO位點間的遷移能壘顯著降低（由3.79 eV降至2.29 eV），說明“催化功能域”通過Ti4+位點調控配位環境，有效削弱了Li+?聚合物相互作用，從而降低遷移阻力。進一步的MD模擬顯示，CPPE中Li+與陰離子及聚合物鏈的配位作用均明顯減弱；同時，Li+擴散系數較PPE提升近一個數量級。上述理論結果從原子尺度驗證了CFD策略對“解離?傳輸”悖論的協同調控作用，并為實驗中觀察到的高離子電導率提供了理論依據。

圖5.Li|CPPE|Li對稱電池在25 ℃下的電化學性能以及鋰金屬負極界面鋰枝晶行為

為了評估“催化功能域”的CPPE與鋰金屬負極的界面穩定性，作者組裝了Li|MPPE|Li對稱電池，在0.1 mA cm?2電流密度下實現2800小時穩定循環，這得益于CPPE通過優化局部配位，實現均勻離子通量，有效緩解濃差極化，從而有效提升了鋰沉積/剝離過程中的可逆性與界面穩定性。進一步結合掃描電子顯微鏡（SEM）和COMSOL模擬觀察證實，CPPE能引導鋰金屬形成致密、無枝晶沉積形貌，并抑制局部電流聚集，從而實現均勻沉積行為，為電池長期穩定運行提供保障。

圖6.在25 ℃下鋰沉積/剝離過程中負極/正極-電解質界面的結構和成分分析

為進一步闡明“催化功能域”對界面穩定性的作用機制，作者結合XPS深度濺射與原位電化學阻抗譜（EIS）-弛豫時間分布（DRT）分析開展研究。XPS結果表明，相較于PPE，CPPE在循環后形成了碳酸鹽含量更低、富含Li2O與Li2S等無機組分的SEI層，有助于降低界面阻抗并提升離子傳輸能力。進一步的EIS-DRT分析顯示，CPPE體系在充放電過程中各界面過程的阻抗更低且變化更小，表明其電極/電解質界面動力學更加穩定。上述結果從界面化學與動力學角度共同揭示了CFD策略實現電池長循環穩定性的內在機制。

圖7.Li|CPPE|LFP和LiCPPE|NCM全電池在25℃下的電化學性能

在全電池性能方面，CPPE展現出優異的長循環穩定性。在Li||LFP體系中，其在2C電流密度下循環2000多次后仍保持81.1%的容量。在高電壓Li||NCM523體系中，電池在1C下循環600次后仍保持82.4%的容量，同時在5C高倍率下仍具備良好的容量輸出能力。進一步在Li||NCM811電池中，CPPE同樣實現穩定運行，在1C條件下循環403次后仍可保持約80%的容量。上述結果表明，CPPE在多種正極體系中均具備優異的循環穩定性與倍率性能，為高能量密度準固態鋰金屬電池提供了有力支撐。

四、總結與展望

作者提出“催化功能域（CFD）”策略，通過在聚醚類電解質中引入Ti4+位點，構建具有特定化學功能的局域環境，從反應動力學角度協同調控鋰鹽解離與Li+遷移過程。該策略有效削弱Li+與聚合物醚氧之間的配位作用，同時促進鋰鹽解離并提升自由Li+濃度，實現了優異的室溫電導率（1.14 mS cm?1），Li+遷移數（0.77）?；诖?，CPPE在Li||Li對稱電池及Li||LFP、NCM523和NCM811全電池中均表現出優異的電化學性能，尤其是在全電池體系中實現了長期穩定循環，并兼具良好的倍率性能。這項工作從催化反應視角重構了Li+傳導機制，為高性能聚合物電解質及準固態鋰金屬電池的設計提供了新的思路與發展方向。

五、文章信息

H. Wang, S. Duan, Z. Lu, B. Qin, S. Liu, Z. Li, Z. Liu, H. Chen, W. Yan, J. Zhang*, Y. Zheng*, Catalytic Functional Domain Enables Rapid Li+ Conduction in Polyether Electrolytes for Quasi-Solid-State Batteries, Journal of the American Chemical Society, 2026. https://doi.org/10.1021/jacs.6c03577.

六、作者簡介

第一作者：

汪鴻遙，福州大學材料科學與工程學院/新能源材料與工程研究院2025級博士生，師從張久俊院士和鄭云教授。主要研究方向為固態/準固態聚合物電解質，共發表SCI論文6篇，其中以第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊發表SCI論文3篇。

通訊作者：

鄭云教授：福州大學教授、博導，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，2024 Wiley中國開放科學高貢獻作者，2024、2025全球前2%頂尖科學家。目前就職于福州大學材料科學與工程學院、新能源材料與工程研究院，擔任新能源材料與工程研究院書記，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）。長期從事固態電池（弱配位聚合物電解質）研究，目前共發表SCI論文120余篇，其中以第一作者或通訊作者在CSR (2), EER, PMS, PNAS, Joule, JACS (2), Angew. (4), AM (6), AEM (3), AFM (3)等期刊上發表科研論文60余篇，包括15篇ESI高被引論文、熱點文章和封面文章。授權或公布發明專利25項，發表中英文學術專著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、以及多個領域知名期刊青年編委、客座編輯或科學編輯。個人郵箱：yunzheng@fzu.edu.cn

張久俊教授：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148）。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。

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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