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一、研究团队与发表信息

本研究由Sijin Jin、Xinyuan Shan*、Jia Tian、Yue Li、Hang Ding、Rigoberto Advincula、Ming Tian* 和 Peng-Fei Cao* 合作完成，主要作者来自北京化工大学（Beijing University of Chemical Technology）材料科学与工程学院，部分作者来自美国田纳西大学（University of Tennessee）。研究成果发表于《Advanced Functional Materials》期刊，发表日期为2025年，文章DOI号为10.1002/adfm.202500440。

二、学术背景与研究目标

科学领域：本研究属于固态电池与电解质材料领域，聚焦于锂金属电池（Li-metal batteries, LMBs）在宽温域（-25°C至40°C）下的性能提升。

研究动机：锂金属电池因高理论容量（3860 mAh g⁻¹）和低氧化还原电位（-3.04 V vs SHE）被视为下一代高能量密度储能器件，但其实际应用受限于以下问题：
1. 热安全隐患：液态电解质易燃易挥发；
2. 界面不稳定：电极/电解质界面副反应导致锂枝晶生长；
3. 温域限制：低温下离子电导率骤降，高温下电解质分解。

研究目标：开发一种兼具高离子电导率、宽温域稳定性和界面兼容性的高熵凝胶聚合物电解质（High-Entropy Gel Polymer Electrolyte, HEGE），并通过调控Li⁺溶剂化结构和原位聚合策略解决上述问题。

三、研究流程与方法

1. 电解质设计与合成

• 组分设计：HEGE(40%PDOL)由五组分构成——
  
  • 溶剂：1,3-二氧戊环（Dioxolane, DOL）作为前驱体，通过锂二氟草酸硼酸酯（LiDFOB）引发原位聚合生成聚二氧戊环（PDOL）基质；
    
  • 增塑剂：甲基丙酸酯（Methyl Propionate, MP，低熔点溶剂）和氟代碳酸乙烯酯（Fluoroethylene Carbonate, FEC，界面稳定剂）；
    
  • 锂盐：双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）。
    
• 合成方法：通过LiDFOB热分解生成BF₃（路易斯酸），引发DOL开环聚合，形成PDOL交联网络（图1a-c）。
  

2. 物理化学表征

• 结构验证：核磁共振氢谱（¹H NMR）显示DOL单体峰（3.79 ppm）减弱，PDOL特征峰（3.59 ppm）出现（图1a）；傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认PDOL链形成（845 cm⁻¹处C─O─C振动峰）。
  
• 热力学性能：差示扫描量热法（DSC）显示HEGE(40%PDOL)的玻璃化转变温度（Tg）低至-109.1°C（图1d），表明低温下链段运动能力优异。
  
• 力学性能：拉伸测试显示HEGE(40%PDOL)的杨氏模量达134.7 MPa，延伸率192%（图1e），可抑制锂枝晶穿透。
  

3. 电化学性能测试

• 离子电导率：电化学阻抗谱（EIS）测得HEGE(40%PDOL)在-25°C下离子电导率为4.42 mS cm⁻¹（图1f），优于商业液态电解质。
  
• Li⁺迁移数（tₗᵢ⁺）：通过极化-阻抗法测得tₗᵢ⁺=0.84（图S4），表明PDOL基质削弱了Li⁺-TFSI⁻相互作用。
  
• 对称电池测试：Li|HEGE(40%PDOL)|Li电池在25°C下稳定循环3000小时，过电位仅7 mV（图2b）。
  

4. 全电池性能验证

• NCM811||Li电池：在-25°C、0.5 C倍率下循环500次后容量保持率75%（图4a）；
  
• 软包电池：采用40 μm薄锂负极，400次循环后容量保持率72.5%（图4e），且可通过折叠、切割等破坏性测试（图4h）。
  

5. 机理研究

• 溶剂化结构分析：分子动力学模拟（MD）显示HEGE(40%PDOL)中Li⁺主要与PDOL链的O原子配位（配位数CN=2.5），减少溶剂分子参与（CN(MP)=1.3，CN(FEC)=0.4），从而降低界面副反应（图5a-b）。
  
• 熵效应：组分的多样性（高熵设计）使Li⁺簇尺寸最小化，扩散系数提高（图5i）。
  

四、主要研究结果

1. 高离子电导率：HEGE(40%PDOL)在宽温域内保持高电导率，归因于PDOL的低Li⁺结合能（22 kcal mol⁻¹）和MP的低温流动性。
   
2. 界面稳定性：FEC分解形成LiF-rich SEI/CEI层（XPS证实，图2d-e），抑制MP和残余单体的副反应。
   
3. 实际应用验证：软包电池在极端条件下（-25°C、高负载NCM811、薄锂负极）仍表现优异，证实其工程化潜力。
   

五、研究结论与价值

科学价值：
- 提出高熵凝胶电解质设计范式，通过熵增效应和溶剂化结构调控实现Li⁺高效传输；
- 揭示系统多样性与Li⁺簇尺寸的负相关性（MD模拟），为电解质设计提供理论依据。

应用价值：
- 解决锂金属电池在低温、高电压下的性能瓶颈；
- 为固态电池在电动汽车、极地装备等场景的应用提供材料基础。

六、研究亮点

1. 创新材料设计：首次将高熵概念引入凝胶聚合物电解质，结合原位聚合与多组分协同效应。
   
2. 性能突破：-25°C下离子电导率超4 mS cm⁻¹，为同类电解质最高值之一。
   
3. 机理深度解析：通过MD和DOSY-NMR量化熵对Li⁺传输的影响，填补溶剂化结构研究的空白。
   

七、其他补充

• 对比优势：与文献报道的高熵液态电解质（HELEs）相比，HEGE(40%PDOL)兼具固态安全性和液态离子传输效率（图1f, 表S4）。
  
• 扩展应用：该电解质可适配硅碳负极（Si-C），全电池循环70次容量保持率92%（图4c），展现普适性。
  

（报告总字数：约1500字）