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  開發(fā)安全穩(wěn)定的電解質(zhì)是實現(xiàn)下一代高能量密度、長循環(huán)壽命電池的關(guān)鍵。過去數(shù)十年來，固態(tài)聚合物電解質(zhì)因兼具可設計性與安全性，逐漸成為傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的有力替代方案。然而，經(jīng)典的聚環(huán)氧乙烷（PEO）體系仍面臨鋰離子遷移數(shù)偏低、界面穩(wěn)定性有限等問題，制約了其在高性能電池中的進一步應用。

  針對以上問題，華南理工大學孔憲教授/東華大學楊曙光教授等團隊近期在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了題為 “Tailoring Lithium‐Ion Transport and Solvation Structure via Fluorination Patterns in Polymer Electrolytes” 的研究成果（DOI: 10.1002/adfm.202512265）。該研究結(jié)合密度泛函理論與分子動力學模擬，系統(tǒng)揭示了不同氟化模式對PEO基聚合物電解質(zhì)的溶劑化結(jié)構(gòu)與離子傳輸特性的調(diào)控機制。論文第一作者是華南理工大學前沿軟物質(zhì)學院博士研究生袁雪迎，華南理工大學孔憲教授和東華大學楊曙光教授為論文通訊作者。

圖1. 氟化 PEO 基電解質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)與化學穩(wěn)定性。(a) PEO（F0F0）及其氟化衍生物（F0F1、F0F2、F1F1、F1F2、F2F2）的化學結(jié)構(gòu)。(b) 聚合物三聚體的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）與最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）的能級及軌道分布。隨著氟化程度提高，HOMO 能級降低、HOMO–LUMO 能隙增大，表明氟化促進主鏈電子離域，從而提升化學穩(wěn)定性。(c) 含鹽與不含鹽條件下的氟化 PEO 三聚體的理論氧化電位（相對于 Li/Li⁺）。(d, e) 聚合物中氧原子與氟原子的局部電荷分布。結(jié)果顯示，隨著氟化程度增加，聚合物氧原子的局部電負性降低，而電子在主鏈上的分布更加均勻。圖中數(shù)字表示氟化單體從左到右的順序，F1F2-F1 表示單氟環(huán)境下的氟，F1F2-F2 表示雙氟環(huán)境下的氟。

圖2. 氟化聚合物電解質(zhì)的離子傳輸性質(zhì)。(a) 隨氟化程度增加，離子電導率（σ）整體下降。圖中不同顏色陰影代表三個氟化區(qū)間：非氟化（黃色）、低氟化（藍色）和高氟化（紅色）。(b) 隨氟化增強，鋰離子遷移數(shù)（t⁰₊）和鋰離子電流分數(shù)（ρ₊）逐漸升高，表明氟化削弱了聚合物–Li⁺ 配位，提高了鋰離子選擇性傳輸能力。(c) 電解質(zhì)綜合能效（σρ₊）表征導電性與電流分數(shù)的乘積。結(jié)果顯示_，F1F2 體系在導電性與Li⁺ 傳輸性質(zhì)之間實現(xiàn)最優(yōu)平衡。(d–f) Onsager 傳遞系數(shù)揭示了不同氟化區(qū)間不同物種運動相關(guān)性的差異：：(d) L^+-,POL與L^++,POL 的對比；（e） L^+-,POL與L^--,POL的對比；(f) 離子–聚合物的Onsager 傳遞系數(shù)（ L^+p,COM與L^-p,COM）。

圖3. Li⁺ 溶劑化結(jié)構(gòu)與離子聚集行為。(a–c) Li⁺ 與不同組分的徑向分布函數(shù)g(r)：(a) Li⁺–TFSI? 氧；(b) Li⁺–聚合物氧；(c) Li⁺–聚合物氟。結(jié)果顯示，氟化增強了 Li⁺–陰離子作用、削弱了 Li⁺–聚合物氧作用。(d–i) 不同體系下離子團簇尺寸分布：(d) F0F0、(e) F0F1、(f) F0F2、(g) F1F1、(h) F1F2、(i) F2F2。高氟化體系形成更大的離子簇，尤其是 F2F2 中，自由離子濃度顯著降低。整體結(jié)果揭示了氟化誘導的兩種不同溶劑化機制，并強調(diào)了平衡離子解離與聚集的重要性。

圖4. 氟化聚合物電解質(zhì)中Li⁺ 第一配位殼層的動力學與結(jié)構(gòu)。(a) Li⁺–TFSI?（C_+-（t））與 Li?–聚合物段（C_+p（t））的停留時間自相關(guān)函數(shù)。(b) 由Kohlrausch–Williams–Watts（KWW）函數(shù)擬合C（t）得到的平均弛豫時間（<τ_+->、<τ_+p>）；(c) 對應的拉伸指數(shù)（β_+-、β_+p）。結(jié)果表明，氟化普遍延長了 Li⁺–陰離子的配位壽命，同時改變了Li⁺–聚合物配位環(huán)境的均一性。(d) 各體系中Li⁺ 第一配位殼層的結(jié)構(gòu)組成，顯示隨著氟化增強，聚合物氧的比例下降而陰離子配位比例上升。(e) Li⁺ 與聚合物氧的典型配位模式示意圖，揭示了氟化程度與模式對 Li⁺–聚合物相互作用的調(diào)控規(guī)律。

  由于在實驗上精確控制 PEO 主鏈的氟取代位置與數(shù)量極具挑戰(zhàn)，氟化單體的合成成本高、結(jié)構(gòu)難以限定且表征復雜，目前關(guān)于氟化模式與電解質(zhì)性能關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)仍然有限。在此背景下，該研究結(jié)合密度泛函理論和分子動力學模擬，系統(tǒng)評估了不同氟化模式對聚合物電解質(zhì)電子結(jié)構(gòu)、溶劑化環(huán)境和離子傳輸行為的影響，為實驗設計提供了可靠的理論依據(jù)。

  研究發(fā)現(xiàn)，氟化效應呈現(xiàn)出“低氟化”和“高氟化”兩種截然不同的離子傳輸機制：在低氟化體系中，Li⁺ 主要與聚合物氧原子配位，鹽解離充分但遷移受限；而在高氟化體系中，鏈段運動加快、界面穩(wěn)定性增強，但離子聚集嚴重，自由離子濃度下降。適度氟化能夠在離子解離與聚集之間實現(xiàn)平衡，削弱聚合物對 Li⁺ 的過強配位，兼顧離子遷移數(shù)與體系穩(wěn)定性；而過度氟化則會誘導離子聚集、降低自由離子濃度。合理控制氟化位置與程度，是實現(xiàn)高效且穩(wěn)定離子傳輸?shù)年P(guān)鍵。該研究凸顯了分子模擬在高成本實驗合成開發(fā)前的理論指導意義，通過計算可提前篩選潛在優(yōu)異的氟化模式，減少盲目實驗帶來的資源消耗。此外，文章發(fā)現(xiàn)的規(guī)律還為后續(xù)通過共聚或共混策略實現(xiàn)混合氟化提供了方向，從而拓寬了高性能聚合物電解質(zhì)的設計空間。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202512265