中科大、上海高研院Angew：多功能小分子调控工程助力打造超长寿命固态锂电池

在聚氧化乙烯（PEO）基聚合物电解质中引入功能性添加剂，是提升其离子电导率和界面稳定性的有效策略。然而，传统添加剂虽能通过降低PEO结晶度来提高离子电导率，却不可避免地削弱了电解质膜的结构强度和机械性能。同时，无机添加剂易发生团聚现象，不仅破坏了其与聚合物基体的相容性，还导致电解质膜均匀性下降。更为关键的是，传统添加剂所形成的固体电解质界面（SEI）化学性质欠佳，不仅降低了电解质对锂金属的化学稳定性，还严重阻碍了界面处的锂离子传输动力学性能。这些局限性极大地制约了PEO基电解质在高性能固态电池中的应用前景。

中国科学技术大学的刘啸嵩教授、冯雪飞特任研究员和中国科学院上海高等研究院的张念副研究员团队，通过向PEO中添加香豆素（coumarin）作为多功能小分子添加剂，显著提升了PEO基复合电解质的离子导电性和界面稳定性。

在复合电解质体系中，香豆素展现出与传统添加剂截然不同的作用机制。传统添加剂往往通过降低PEO结晶度来提升性能，而香豆素则凭借其更高的Li⁺吸附能和更强的偶极矩，在不破坏PEO结晶区域的前提下，创新性地扮演了Li⁺“分子载体”的角色。这一独特策略有效保障了电解质膜的结构稳定性和机械完整性。同时，香豆素与PEO之间的协同效应使得小分子香豆素能够沿PEO链段快速往复运动，这种独特的分子级运动显著缩短了锂离子结合位点之间的跃迁距离，并构建了局部紧密配位的离子传输中心，从而大幅提升了锂离子迁移速率和电解质离子电导率。

通过多种先进的同步辐射表征技术结合理论计算，揭示了香豆素在稳定界面的作用机制。香豆素通过其羰基作为牺牲剂优先与锂金属负极反应，有效抑制了PEO和锂盐在循环过程中的分解。香豆素作为原位Li₂O诱导剂，促进了致密且光滑的富Li₂O固体电解质界面（SEI）的形成，并在界面处实现了更快的离子扩散动力学。

香豆素的优异特性使锂-锂对称电池能够循环超过5000小时。多功能分子工程设计使Li|PLC|LiFePO₄电池在0.5 C倍率下实现了161.9 mAh g⁻¹的高初始放电容量，并在550次循环后保持93%的容量保持率。作为一种多功能、低成本的高效添加剂，香豆素也展现出巨大的商业化应用潜力。

文章的第一作者是中国科学技术大学和中国科学院上海高等研究院联合培养博士生吴淑芬。本工作得到了国家重点研发计划，自然科学基金面上项目和上海光源BL02B线站以及合肥自由电子激光AFM-IRFEL线站的大力支持。

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A Multifunctional Molecular Modulated Strategy Featuring Novel Li⁺ Transport Centers and Li₂O-Rich SEI Layer for High-Performance All-Solid-State Lithium Metal Batteries

Shufen Wu, Nian Zhang, Jintao Du, Feifan Tao, Wenjun Ma, Xinyuan Yin, Yibo Wang, Hui Zhang, Pengfei Yu, Xuefei Feng, Xiaosong Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202422942