这篇文档属于类型a，是一篇关于单离子聚合物-盐（single-ion polymer-in-salt, SIP-in-salt）电解质在固态电池中应用的原创研究论文。以下是详细的学术报告内容：

一、作者及发表信息

本研究由Huaijiao Wang、Peng Wen、Yixuan Liu、Shantao Han、Zexi Zhang、Yifei Xu、Mao Chen* 和 Xinrong Lin*共同完成，作者单位包括复旦大学高分子科学系（State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers）和昆山杜克大学（Duke Kunshan University）。论文题为《Single-Ion Polymer-in-Salt Electrolytes Enabling Percolating Ionic Nanoaggregates for Ambient-Temperature Solid-State Batteries》，发表于Journal of the American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc.)，2025年4月21日出版，卷147，页码14554–14563。

二、学术背景

研究领域与动机

本研究属于固态聚合物电解质（Solid Polymer Electrolytes, SPEs）领域，旨在解决当前固态锂金属电池的两大核心问题：
1. 低锂离子电导率（σ_Li+）：传统SPEs的离子电导率受限于聚合物链段运动能力和锂离子迁移数（t_Li+），通常在10⁻⁸–10⁻⁶ S cm⁻¹范围内，需高温（>60°C）才能工作。
2. 界面稳定性不足：弱溶剂化结构虽能提升界面稳定性，但会牺牲离子电导率。

研究目标

开发一种新型单离子聚合物-盐电解质（SIP-in-salt），通过调控离子溶剂化结构形成渗透性离子纳米聚集体（percolating ionic nanoaggregates, p-aggs），实现室温下高离子电导率（3.9×10⁻⁵ S cm⁻¹）和高锂离子迁移数（t_Li+=0.85）。

三、研究流程与方法

1. 单离子聚合物（SIPs）的设计与合成

• 单体选择：采用含全氟磺酰亚胺锂基团（lithium perfluorosulfonimide vinyl ether, M1）和聚环氧乙烷侧链（M2）的单体，通过光控自由基聚合（photo-CRP）合成交替序列聚合物（P1–P5）。
  
• 表征：通过尺寸排阻色谱（SEC）测定分子量（M_n=7.4–43.8 kDa）和分散指数（Đ=1.23–1.26），Kelen-Tüdös方法验证交替序列结构（r_M1=0.043，r_M2=0.051）。
  

2. SIP-in-salt电解质的制备与表征

• 盐浓度优化：将双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）以20–65 wt%掺入P2（M_n=20 kDa），形成系列电解质（P2-salt20至P2-salt65）。
  
• 结构分析：
  
  • X射线衍射（XRD）和广角/小角X射线散射（WAXS/SAXS）显示P2-salt55为无定形态，并检测到3.5 nm的纳米簇（p-aggs）。
    
  • 冷冻透射电镜（cryo-TEM）证实p-aggs的均匀分布（直径~3.3 nm）。
    
• 光谱分析：拉曼光谱（Raman）显示盐浓度增加促使接触离子对（CIPs, 744 cm⁻¹）向聚集体（AGGs, 749 cm⁻¹）转变。
  

3. 离子传输机制研究

• 分子动力学模拟（MD）：
  
  • P2-salt55中Li⁺分布均匀（标准偏差±12.3%），而P2-salt20和P2-salt65分别出现空缺和盐析现象。
    
  • Li⁺迁移路径显示其通过p-aggs“跳转”（hopping distance=2.3 Å），机制从载体传输（vehicular transport）转向结构扩散（structural diffusion）。
    
• 电化学测试：
  
  • P2-salt55的离子电导率（3.9×10⁻⁵ S cm⁻¹）比传统聚合物-盐电解质高100倍，活化能（E_a=0.24 eV）接近陶瓷电解质。
    

4. 电池性能验证

• 对称电池（Li||Li）：P2-salt55在0.05 mA cm⁻²下稳定循环1700小时，锂沉积均匀（厚度51 μm）。
  
• 全电池（Li||LFP/NCM622）：
  
  • Li||LFP在25°C下初始放电容量119.1 mAh g⁻¹，60次循环后容量保持率76.2%。
    
  • Li||NCM622在0.1 C下容量130.3 mAh g⁻¹，CE达99.4%。
    

四、主要结果与逻辑链条

1. p-aggs的形成：高盐浓度（55 wt%）下，SIP与LiTFSI的相容性促使形成均匀、互连的纳米聚集体，增强Li⁺-阴离子解离（逆哈文比HR⁻¹=0.7）。
   
2. 离子传输机制转变：SAXS和MD模拟证实p-aggs缩短Li⁺跳跃距离，电导率-温度曲线符合Arrhenius模型，支持结构扩散主导。
   
3. 电化学性能提升：高t_Li+（0.85）抑制极化，均匀SEI（含LiF/Li₃N）稳定锂金属界面。
   

五、结论与价值

科学价值

• 提出SIP-in-salt策略，通过p-aggs设计实现SPEs中离子传输与界面稳定的协同优化。
  
• 揭示了高盐浓度下溶剂化结构调控对离子传输机制的影响，为固态电解质设计提供新范式。
  

应用价值

• 首次实现SPEs在室温（25°C）下的高效运行，推动固态锂金属电池实用化。
  
• 材料体系可扩展至其他离子聚合物和盐类，适用于多价金属电池。
  

六、研究亮点

1. 创新电解质设计：SIP-in-salt结合单离子聚合物与高盐浓度，突破传统SPEs的σ_Li+-t_Li+权衡。
   
2. p-aggs的发现：通过实验与模拟首次证实均匀纳米聚集体可降低Li⁺迁移能垒。
   
3. 室温性能突破：电导率（10⁻⁵ S cm⁻¹级）和循环稳定性达实用化门槛。
   

七、其他价值

• 方法学贡献：光控自由基聚合实现SIPs的精确序列控制，MD模拟与多尺度表征（SAXS/cryo-TEM/Raman）结合深化机理认知。
  
• 可持续性：电解质热稳定性提升（分解温度309°C），兼容高电压正极（5.0 V）。
  

此研究为高性能固态电池的开发提供了理论和材料基础，被评价为“聚合物电解质领域的突破性进展”（JACS评述）。