福州大学郑云教授/张久俊院士《JACS》：“电子海绵”策略实现高电压快充准固态电池

第一作者：张丽芬、段松

通讯作者：郑云、张久俊

通讯单位：福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院

论文DOI:10.1021/jacs.6c11268

1、研究背景

聚醚基电解质具有制备工艺简单、界面接触良好等优势，在准固态锂金属电池领域受到广泛关注。（郑云/张久俊团队近期相关成果：AEM, 2025, e01760; AM, 2024, 36, 2314120; AFM, 2025, e11011; AM, 2025, e05695; AM, 2025, e10197; Angew., 2025, e202508857; Angew., 2025, e202502728; JACS, 2026, 148, 2972-2984; JACS, 2026, 148, 17356-17371; AM, 2026, e73393; Angew., 2026, e4447296; Angew., 2026, e4583501），然而，在高电压和高倍率条件下，其性能仍受到离子传输、氧化稳定性及电极/电解质界面稳定性的多重制约。从分子层面来看，聚醚链段中的醚氧（ether oxygen，EO）具有较高电子密度，容易与Li+发生较强配位，使Li+受到聚合物链段束缚，限制其快速迁移；与此同时，富电子EO在高电位下又容易发生电子抽取和氧化分解，导致聚醚电解质的高电压稳定性受到限制。在界面层面，持续的电解质副反应还会形成不稳定的固态电解质界面（SEI）和正极/电解质界面（CEI），进一步引起锂金属不均匀沉积以及高镍正极结构退化。因此，如何兼顾Li+快速传输、氧化稳定性和稳定界面构筑，是实现高电压、快充准固态锂金属电池长期稳定运行的关键。

2、工作简介

近日，福州大学郑云教授/张久俊院士团队受天然海绵“吸水-放水”行为启发，提出“电子海绵（Electronic Sponge，ES）”双向电子调控策略，并以具有π共轭结构的酞菁铜（CuPc）作为代表性“电子海绵”分子，构筑“电子海绵”聚醚电解质（ESPE）。该策略具有双向电子调控作用：一方面，ES通过吸电子效应降低EO的电子密度，削弱其对Li+的配位作用，并稳定EO的孤对电子，从而促进Li+快速迁移并提高聚醚骨架的抗氧化能力；另一方面，ES通过给电子效应调控TFSI−和DFOB−等含氟阴离子的电子结构，促进阴离子衍生分解，进而构筑稳定、富含LiF的SEI/CEI。得益于这种双向电子调控机制，ESPE在25 ℃下实现了1.61 mS cm−1的离子电导率、0.84的Li+迁移数以及约5.2 V的电化学稳定窗口。电化学测试进一步验证了该策略在高电压和快充条件下的优势，基于ESPE电解质的Li||Li对称电池在0.5 mA cm−2下稳定循环超过1000 h；Li||NCM811准固态电池在4.6 V截止电压下循环300次后容量保持率达到82.5%；在4.5 V、5C条件下循环500次后容量保持率仍达到82.6%。该研究为从分子电子结构出发，为同时解决聚醚电解质中Li+传输不够快、氧化稳定性不足和电极/电解质界面不稳定等问题提供了新的设计思路，也为高电压、快充准固态锂金属电池的发展提供了新的分子调控策略。

3、本文亮点

（1）提出“电子海绵”双向电子调控新策略

该工作利用具有适度吸电子/给电子能力的分子作为“电子海绵”，针对聚醚电解质中的不同功能组分实施双向电子调节。对聚醚链段，ES表现出吸电子效应，降低EO电子密度，削弱Li+−EO配位并稳定EO孤对电子；对含氟锂盐阴离子，ES则表现出给电子效应，促进TFSI−/DFOB−参与界面分解和富含LiF界面的构筑。该设计实现了电解质本体传输、抗氧化能力、电解质/电极界面化学三个层面的协同调控。

（2）高电压、快充准固态电池性能：

基于ESPE电解质的Li||Li对称电池在0.5 mA cm−2下稳定循环超过1000 h；Li||NCM811准固态电池在4.6 V截止电压下循环300次后容量保持率达到82.5%；在4.5 V、5C条件下循环500次后容量保持率仍达到82.6%。该研究为从分子电子结构出发，为同时解决聚醚电解质中Li+传输不够快、氧化稳定性不足和电极/电解质界面不稳定等问题提供了新的设计思路，也为高电压、快充准固态锂金属电池的发展提供了新的分子调控策略。

4、图文解析

图1.“电子海绵”聚醚电解质的设计原理

传统聚醚电解质中，富电子EO一方面会与Li+产生较强配位，限制Li+沿聚合物链快速迁移；另一方面，其孤对电子在高电位下容易发生氧化。同时，电极/电解质界面持续的副反应导致SEI/CEI不稳定，进一步诱发锂枝晶生长和高镍正极退化。针对这些问题，作者提出“电子海绵”策略：ES在聚醚链侧通过吸电子效应降低EO电子密度进而改善Li⁺传导和抗氧化稳定性；在锂盐阴离子侧通过给电子效应促进TFSI−/DFOB−分解，构筑稳定、富含LiF的SEI/CEI。

图2.多尺度表征揭示电子海绵的吸电子效应

为验证ES对聚醚EO单元的吸电子效应，作者结合FTIR、ESP和XAS进行了分析。FTIR、ESP结果表明，CuPc中的Cu2+可与EO发生相互作用，使EO局部电子密度降低；XAS结果进一步证实了Cu−O相互作用。上述结果表明，ES能够调控聚醚链段的电子结构，为削弱Li+−EO配位并提升聚醚骨架的抗氧化稳定性提供基础。

图3. ESPE的离子传输和高电压电化学性能

ESPE在25 °C下展现出1.61 mS cm−1的离子电导率、0.84的Li+迁移数和约5.2 V的氧化稳定窗口。Tafel、GITT及原位EIS结果进一步表明，ESPE具有更快的Li+传输和界面电荷转移动力学，并能有效降低高电压下的界面阻抗与极化。

图4.实验和理论计算共同揭示Li+快速传输机制

为揭示Li+传输提升机制，作者结合7Li NMR、Raman、DFT和MD分析了Li+的局部配位环境。结果表明，ESPE中Li+−TFSI−、Li+−DFOB−及Li+−FPDOL相互作用均明显减弱，锂盐解离增强，Li+扩散更快、迁移路径更连续。说明ES策略同时削弱Li+与阴离子及聚合物链段的配位作用，从而促进Li+快速传导。

图5.给电子效应诱导富含LiF的SEI并稳定锂金属负极

19F NMR和差分电荷密度结果表明，CuPc通过给电子效应即向TFSI⁻提供电子密度，促进含氟阴离子衍生分解并形成富含LiF的SEI/CEI。TOF-SIMS和形貌表征进一步证实，ESPE形成更薄、更致密且富含LiF的SEI，同时显著减少有机分解产物。得益于此，Li|ESPE|Li电池在0.5 mA cm−2下可稳定循环1000 h，循环后的Li表面更加平整致密。COMSOL模拟进一步表明，ESPE能够均化界面电流密度和Li+浓度分布，从而促进均匀锂沉积。

图6.给电子效应诱导富含LiF的CEI并稳定NCM811正极结构

在正极侧，ESPE形成了更薄、更均匀、富含LiF的CEI，并有效抑制有机副反应和过渡金属（TM）溶出。多尺度表征进一步表明，ESPE能够减轻NCM811表面重构、Li/TM阳离子混排和氧损失，并显著缓解H2-H3相变引起的晶格收缩，从而实现正极界面与晶体结构的同步稳定。

图7.高电压、快充全电池的电化学性能

ES策略赋予聚醚基准固态电池优异的高电压和快充性能，Li|ESPE|NCM811准固态电池在4.6 V截止电压、1C条件下循环300次后，容量保持率达到82.5%；在4.5 V、5C高倍率条件下循环500次后，容量保持率仍达到82.6%。1 Ah级软包电池测试进一步验证了该策略在实际电池条件下的适用性。

5、总结与展望：

本研究提出“电子海绵（Electronic Sponge，ES）”双向电子调控策略，通过在聚醚基电解质中引入CuPc分子，一方面利用吸电子效应削弱Li⁺与醚氧单元之间的配位，促进Li⁺快速传导并提升聚醚骨架的高电压稳定性；另一方面通过给电子效应促进TFSI⁻和DFOB⁻等含氟阴离子的分解，促进形成稳定、富含LiF的SEI/CEI，从而同步改善锂金属负极和高镍正极结构稳定性。基于该策略构筑的准固态锂金属电池在高电压和高倍率条件下表现出优异的循环性能，并在1 Ah级软包电池中展现出良好的应用潜力。该工作为从电子结构层面协同调控离子传输、电解质稳定性和电解质/电极界面提供了新的设计思路，也为高电压、快充准固态锂金属电池的发展提供了新的分子调控策略。

6、文献信息：

Lifen Zhang, Song Duan, Bingsen Qin, Zongtao Lu, Hongyao Wang, Peng Wang, Zhenghao Li, Zhiyang Yu, Wei Yan, Jiujun Zhang* Yun Zheng*, “Electronic Sponge” Strategy Enables Polyether Electrolytes for High-Voltage and Fast-Charging Quasi-Solid-State Batteries, Journal of the American Chemical Society, 2026. DOI: 10.1021/jacs.6c11268.

7、作者介绍

张丽芬，福州大学材料科学与工程学院/新能源材料与工程研究院2024级硕士生，师从张久俊院士和郑云教授。主要研究方向为固态/准固态聚合物电解质，共发表SCI论文5篇，其中以第一作者在JACS、Angew等期刊发表SCI论文2篇。

段松，福州大学化工学院/材料科学与工程学院/新能源材料与工程研究院2022级在读博士生，师从张久俊院士和郑云教授。主要研究方向为固态/准固态电解质，目前已发表SCI论文22篇（IF＞15的15篇），其中以第一或共一作者在JACS (2)、Angew (2)、AM (2)等期刊上发表SCI论文9篇，包括热点/高被引/封面论文2篇。入选中国科协青年人才托举工程博士生专项计划（全国首批入选），入选福州大学博创计划，2024威立中国开放科学高贡献作者（Wiley），2025卢嘉锡优秀研究生奖（全国仅20人）。

郑云教授简介：教授、博导，福州大学材料科学与工程学院，担任新能源材料与工程研究院书记、福建省高能电池与新能源装备系统工程研究中心书记。入选国家教育部海外引才专项，福建省引才“百人计划”、福建省“闽江学者”特聘教授、福建省级B类高层次人才，2024 Wiley中国开放科学高贡献作者，2024、2025全球前2%顶尖科学家。长期从事固态电池（弱配位聚合物电解质）方面的研究，近十年共发表SCI论文130余篇，被引用1.1万次（H-Index为52），其中以第一作者或通讯作者在CSR (2), EER, PMS, PNAS, Joule, JACS (3), Angew. (4), AM (9), AEM (4), AFM (3)等期刊上发表科研论文近80篇，包括20余篇ESI高被引论文、热点文章和封面文章。授权或公布发明专利30余项，发表中英文学术专著3本，主持/参与国家级和省级科研项目10余项。受邀担任国际电化学能源科学院（IAOEES）理事、中国内燃机学会第九届理事会燃料电池发动机分会委员、中国工业合作协会新材料与能源应用专业委员会理事，以及中国工程院院刊系列ENGINEERING Energy等多个领域知名期刊青年编委、客座编辑或科学编辑。个人邮箱：yunzheng@fzu.edu.cn

张久俊教授简介： 中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中国化学会会士、中国化工学会会士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（ IAOEES ）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学教授、博导，福州大学材料科学与工程学院院长、福州大学新能源材料与工程研究院院长。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、 CO2 电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告 900 余篇，编著书 30 本，书章节 51 篇，被引用 12.1 万多次（ H-Index 为 155 ）。目前是 Springer-nature 《 Electrochemical Energy Reviews 》 SCI 期刊主编、 CRC Press 《 Electrochemical Energy Storage and Conversion 》丛书主编、 KeAi Publishing 《 Green Energy & Environment 》 SCI 期刊副主编、中国工程院院刊能源分刊《 ENGINEERING Energy 》期刊副主编、中国化学化工出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。

课题组介绍：

研究团队与平台介绍：为了响应和对接国家“碳达峰碳中和”重要战略决策，由张久俊院士领衔创建福州大学新能源材料与工程研究院（张久俊院士团队）。研究院面向新能源产业，研究前沿理论和先进技术，开发核心材料与关键部件，集成新能源系统与制备新能源装置，培养新能源领域的工程技术与运营管理人才等。研究院下设5个中心，其中氢能和燃料电池中心，主要开展电解水和燃料电池中的核心材料、高性能催化剂以及关键部件MEA膜的研发；先进储能和动力电池中心，主要开展下一代高能量密度电池，包括固态锂基电池和钠基电池等的研发和产业化；CO2捕获和还原中心，主要开展CO2电化学还原低碳燃料生产系统的催化剂以及装置的开发；原位技术中心，主要依托原位测试技术为新能源材料与工程研究提供技术保障与支撑；能源AI中心，主要通过计算机建模和机器学习技术，实现新能源材料与器件的快速筛选和结构设计，以及相关机理探究和过程优化。研究院网站：https://newenergy.fzu.edu.cn/index.htm

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。

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