这篇文档属于类型a，是一篇关于宽温域锂金属电池用仿生凝胶聚合物电解质的原创研究论文。以下是详细的学术报告：

作者及发表信息

该研究由Shuohan Liu（第一作者，上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室）、Wensheng Tian（上海空间电源研究所空间电源国家重点实验室）、Jieqing Shen等12位作者合作完成，通讯作者为Hui Pan、Cheng Yang、Xiujun Han和Shenmin Zhu。论文于2025年发表在Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-025-57856-w）。

学术背景

研究领域：新型电解质材料与锂金属电池。
研究动机：传统液态电解质在极端温度（<-20°C或>60°C）下存在离子传输动力学不足、界面不稳定等问题，而固态电解质低温性能差。凝胶聚合物电解质（Gel Polymer Electrolyte, GPE）作为液态与固态电解质的折中方案，仍需解决宽温域下的弱溶剂化结构设计和界面稳定性挑战。
研究目标：开发一种仿生弱溶剂化凝胶聚合物电解质（WSGPE），通过双偶极耦合调控锂离子（Li⁺）溶剂化结构，实现-30°C至80°C宽温域内高能量密度锂金属电池的稳定运行。

研究流程与方法

1. 材料设计与合成

• 仿生设计：受水生植物叶片与水分子的动态相互作用启发，采用支链聚合物聚三氟乙基甲基丙烯酸酯（PTFMA）为骨架，以不对称结构的3,3,3-三氟丙酸乙酯（FEP）为耦合剂，通过双偶极耦合（double dipole coupling）调控Li⁺溶剂化环境。
  
• 合成方法：将FEP、氟代碳酸亚乙酯（FEC）添加剂、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）交联剂与引发剂AIBN溶于1M LiTFSI-FEP前驱体溶液，70°C固化5小时，形成透明WSGPE。
  
• 表征技术：傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证聚合反应完成，密度泛函理论（DFT）计算结合分子动力学（MD）模拟分析组分间相互作用。
  

2. 溶剂化结构调控

• 理论模拟：DFT计算显示PTFMA与FEP的结合能最强（-0.55 eV），MD模拟证实FEP富集于PTFMA侧链周围，形成以阴离子（TFSI⁻）为主的Li⁺第一溶剂化鞘层（配位数CN=3.71），弱溶剂化结构类似局部高浓度电解质（LHCE）。
  
• 实验验证：拉曼光谱显示WSGPE中接触离子对（CIPs）占比44.1%，游离阴离子（FAs）占40.7%，而液态电解质以FAs为主（71.2%）。核磁共振（NMR）中Li⁺峰位向低场移动，进一步证实弱溶剂化环境。
  

3. 电化学性能测试

• 离子电导率：WSGPE在-40°C和25°C下的离子电导率分别为1.03×10⁻⁴ S/cm和4.40×10⁻⁴ S/cm，Li⁺迁移数（tₗᵢ⁺）达0.83（液态电解质仅为0.42）。
  
• 电池性能：
  
  • 宽温域循环：Li||NCM811电池在-30°C和80°C下初始放电容量分别为121.4 mAh/g和172.2 mAh/g，200次循环后容量保持率>90%。
    
  • 高电压稳定性：4.5V截止电压下，300次循环后容量保持率92.5%。
    
  • 软包电池：能量密度达490.8 Wh/kg，并通过弯曲、穿刺等滥用测试。
    

4. 界面稳定性分析

• Li金属界面：X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）显示，WSGPE诱导形成富含LiF（685.1 eV）和Li₃N（398.1 eV）的固态电解质界面（SEI），抑制枝晶生长。
  
• 正极界面：高分辨透射电镜（HRTEM）显示NCM811表面形成3 nm均匀阴极电解质界面（CEI），XRD证实结构可逆性优于液态电解质。
  

5. 数据分析

• MD模拟：采用GROMACS软件（OPLS-AA力场）分析组分扩散系数，FEP扩散速率（1.93×10⁻¹⁰ m²/s）比Li⁺（1.56×10⁻¹¹ m²/s）高一个数量级，证实动态耦合效应。
  
• 电化学阻抗谱（EIS）：通过等效电路拟合，WSGPE的界面阻抗（Rₛₑᵢ）在-20°C至80°C内变化极小，表明界面稳定性。
  

主要结果与逻辑关联

1. 弱溶剂化结构：双偶极耦合使FEP脱离Li⁺第一溶剂化鞘，降低脱溶剂能垒，提升低温离子传输（图2d-f）。
   
2. 高迁移数：阴离子主导的溶剂化结构减少极化，支持高倍率性能（图3a-b）。
   
3. 界面化学调控：TFSI⁻优先分解生成LiF-rich SEI/CEI，抑制副反应（图5c-h）。
   
4. 宽温域性能：弱溶剂化结构与氟化骨架协同作用，实现-30°C至80°C稳定循环（图3e-g）。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出“双偶极耦合”调控溶剂化结构的新策略，为电解质设计提供理论指导。
- 阐明弱溶剂化结构与界面化学的关联机制，推动高电压、宽温域电池发展。

应用价值：
- WSGPE兼具高离子电导率（-40°C仍>10⁻⁴ S/cm）、不燃性和宽电化学窗口（5.05 V），适用于电动汽车、航空航天等极端环境。
- 软包电池能量密度接近500 Wh/kg，接近商业化液态电池水平。

研究亮点

1. 仿生设计创新：模拟水生植物叶片与水的动态相互作用，首次将双偶极耦合引入电解质设计。
   
2. 多尺度表征：结合DFT、MD、原位光谱和TOF-SIMS，全面解析溶剂化结构与界面演化。
   
3. 性能突破：WSGPE在宽温域、高电压下的综合性能优于现有GPE和液态电解质（Supplementary Fig. 36）。
   

其他价值

• 开发的WSGPE制备工艺简单（一步固化），易于放大生产。
  
• 研究为其他金属电池（如钠、钾）的电解质设计提供了借鉴思路。
  

（全文约2000字）