近期，大连理工大学材料学院胡方圆教授团队在低温准固态锂硫电池研究方面取得新进展。该研究针对锂硫电池低温下离子传输通道受阻与界面脱溶剂化能垒倍增的问题，基于动态溶剂化调控策略，设计了一种动态迁移-拖曳聚合物电解质，通过硼酸酯动态共价键和极性侧链设计，动态重构锂离子溶剂化结构以降低脱溶剂化能垒，加速多硫化物转化动力学，实现了锂硫电池在低温下的高容量稳定循环。研究成果以“基于动态迁移-拖曳策略设计聚合物电解质用于低温锂硫电池”（Dynamic Migration-Pulling Polymer Electrolyte Design Strategy for Low-Temperature Lithium–Sulfur Batteries）为题，发表在国际化学领域顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。
图1.含有动态侧链的凝胶聚合物电解质的结构示意图
凝胶聚合物电解质因其高安全性、良好的界面相容性和抑制多硫化物穿梭的潜力，被视为解决低温锂硫电池性能衰减问题的理想材料体系，对推动极地勘探、高空无人机等极端环境储能应用具有重大战略价值。然而，传统凝胶聚合物电解质在低温下普遍存在离子电导率骤降与界面离子传输动力学迟滞的双重挑战，在锂离子传输过程中，锂离子往往受限于静态的溶剂化网络结构—强极性的配位基团虽然有利于锂盐解离，却导致锂离子脱溶剂化能垒居高不下，阻碍了电荷转移动力学。且锂离子传输机制在低温界面处的动态演变规律尚不明确，导致电池实际低温性能远低于理论预期。现有动态聚合物电解质虽通过可逆化学键（如基于氢键或硼酸酯）实现自修复功能，却难以精准调控锂离子溶剂化结构以协同优化多硫化物锚定-转化-沉积多步动力学反应。针对这一难题，本研究创新性提出“动态迁移-拖曳”策略，通过分子设计构建具有动态自适应能力的聚合物网络（图1），首次揭示了聚合物链段侧基对锂离子的定向“拖曳”效应，并实现了多硫化物高效转化与锂离子快速脱溶的协同强化。为高比能准固态锂硫电池的低温性能突破提供了新思路。
为精准量化“动态迁移-拖曳”策略对界面离子传输动力学的调控效能，本研究以界面离子脱溶活化能（离子传输的核心障碍）作为关键性能指标，通过原位电化学阻抗谱（EIS）、Arrhenius方程解析以及理论计算，证实动态凝胶聚合物电解质的锂离子脱溶活化能较传统电解质降低66%，可同步实现锂均匀沉积与界面阻抗最小化（图2）。实验验证表明，基于该策略制备的凝胶电解质在0°C下仍保持高于1 mS cm-1的离子电导率，显著提升锂硫电池的低温循环稳定性与倍率性能，为开发极端环境高比能储能器件提供了全新理论框架与材料设计范式。
图2.原位电化学阻抗谱、低温电化学性能以及锂离子脱溶示意图
该论文的第一作者是材料学院博士生宋文凯，通讯作者为材料学院胡方圆教授，该研究得到了教育部中央高校青年教师科研创新能力支持项目、国家自然科学基金优秀青年基金项目、中国石油科技创新基金、大连市科技项目、大连理工大学星海人才培育计划项目的资助支持。
