摘要：近期，中山大学张鹏副教授课题组受橡胶轮胎耐久结构的启发，设计出一种自适应性固态弹性体电解质（PMEC）。该电解质结合深共晶电解质（DEE）、弹性聚合物基质和刚性聚乙烯（PE）支架，实现了分子级均匀分散与界面自适应。PMEC在30 °C下离子电导率达2.37 m

近期，中山大学张鹏副教授课题组受橡胶轮胎耐久结构的启发，设计出一种自适应性固态弹性体电解质（PMEC）。该电解质结合深共晶电解质（DEE）、弹性聚合物基质和刚性聚乙烯（PE）支架，实现了分子级均匀分散与界面自适应。PMEC在30 °C下离子电导率达2.37 mS cm−1，锂离子迁移数为0.64，界面粘附能高达36.34 J m−2。基于PMEC的固态电池展现出超2000小时的稳定循环，搭配磷酸铁锂（LFP）正极的全电池在0.5 C倍率下循环800次后容量保持率超88%。相关论文以发表在Angewandte Chemie International Edition 上，论文第一作者为中山大学23级在读博士姚正银。

弹性体电解质设计思路。图片来源：Angew. Chem.

开发高能量密度锂金属电池（LMBs）的驱动力，源于对安全、高效储能系统的迫切需求，以支持电动交通转型和可再生能源的大规模并网。此类电池研发的核心在于设计兼具高离子电导率、优异机械强度以及与高活性锂金属负极之间良好界面相容性的固态电解质。尽管无机陶瓷电解质具有较高的离子电导率和机械强度，但其本征脆性及与电极之间较差的界面接触问题限制了实际应用。相比之下，聚合物基电解质虽具备良好的弹性与易加工性，却普遍存在离子电导率偏低和对锂枝晶抑制能力不足的缺点。

近年来，弹性体固态电解质的研究取得了重要进展，混合系统通过在聚合物基体中引入液态或准液态相，显著提升了离子迁移率。然而，如何在柔性、高效离子传输与枝晶抑制能力之间实现结构上的平衡，仍然是一个突出的挑战。在此背景下，自然界和工业领域为这类材料设计提供了富有启发性的类比。例如，橡胶轮胎便是一种耐用、柔韧且寿命长的复合材料，能够承受长期动态机械应力。其优异性能源于软质橡胶基体、用于调节粘弹性的液态增塑剂以及由钢或尼龙网构成的刚性增强骨架之间的协同整合。

受这种多层复合结构的启发，本研究提出了一类新型固态弹性体电解质（SSEE-d），其包含深共晶电解质（DEE），集成了软聚合物基体、液态DEE和刚性多孔聚乙烯（PE）支架。在这一设计中，弹性体基体提供机械柔性并承载离子传导的DEE相，而刚性PE网类似于轮胎中的尼龙网，增强复合材料、减轻变形并抑制枝晶穿透。这种三相结构实现了协同的传输-机械行为，并在应变下保持电化学性能。

图1. a) 轮胎设计与制备示意图：胎面胶、尼龙冠带层、橡胶涂层尼龙网、液态橡胶增塑剂。 b) 受轮胎启发的含深共晶电解质（DEE）固态弹性体电解质设计与制备示意图：阴极、锂金属、弹性体电解质、自支撑电解质膜、液态DEE。图片来源：Angew. Chem.

该研究展示了这种受轮胎启发的SSEE-d的合成、结构和电化学性能。通过合理调节弹性体与DEE的比例以及与PE支架的界面集成，所得SSEE-d在室温下实现了高离子电导率（2.37 mS cm−1）和低界面电阻，同时在对称和全电池构型中表现出优异的循环稳定性，全电池在800次循环后容量保持率超88%。机理分析表明，电解质形成了自组织的双层SEI，共同提供枝晶抑制和界面保护。这些结果展示了一种受轮胎启发的策略，用于设计结构集成、均匀的弹性体电解质，解决了固态锂电池系统的关键限制，并为安全、高性能的储能提供了路径。

图2. PMEC的力学与离子传输特性： a) 自支撑薄膜的光学透明度与210%拉伸性展示； b) 邵氏C硬度测试结果（37.5）； c) PMEC夹于铜箔间的界面粘附能测试（36.34 J m−2）； d) PMEC粘附力演示（吊起100 g重物）； e) 离子电导率阿伦尼乌斯曲线（30°C时为2.37 mS cm−1）； f) Li|PMEC|Li对称电池在10 mV偏压下的计时电流曲线（锂离子迁移数t+=0.64）。图片来源：Angew. Chem.

图3. PMEC结构表征与离子配位分析： a) SAXS二维散射图谱（PMEC及对照组）； b) 一维SAXS曲线（证实均匀非晶结构）； c) 一维WAXS曲线（无结晶峰）； d) 拉曼光谱（TFSI−阴离子配位态分解）； e) 不同样品中TFSI−阴物种比例（PMEC游离阴离子占比71.2%）。图片来源：Angew. Chem.

图4. 循环后锂负极界面分析： a–c) XPS深度剖析（C 1s, F 1s, O 1s谱随溅射时间演变）； d–f) TOF-SIMS表面成像（F−, O−, C−信号分布对应LiF、Li2O及有机SEI组分）。图片来源：Angew. Chem.

图5. LFP|PMEC|Li电池性能： a) 倍率性能； b) 不同倍率充放电曲线； c) 0.5 C循环电压曲线； d) 0.5 C长循环稳定性； e) 3 C长循环稳定性； f) LCO电池循环性能； g) 循环前后DRT与EIS分析； h) 与文献报道固态电池性能对比。图片来源：Angew. Chem.

图6. a) LFP|PMEC|Li软包电池机械损伤演示（切割/弯折后仍点亮LED）； b) PMEC结构-性能关联示意图：弹性恢复、离子传输通道、梯度SEI、电化学/机械鲁棒性。图片来源：Angew. Chem.

该研究提出了一种受橡胶轮胎启发的设计策略，用于构建自适应固态弹性体电解质（PMEC），有效平衡了机械韧性、离子电导率和界面兼容性。通过均匀分散深共晶组分和可变形聚合物基体，PMEC电解质实现了高拉伸性、强粘附性和优异的电化学性能。通过X射线散射、拉曼光谱和深度分辨XPS/TOF-SIMS的结构分析，验证了PMEC的非晶态、均匀混合特性及其形成梯度SEI的能力，从而促进平滑Li+传输和枝晶抑制。这些特性转化为长期稳定性、高库仑效率以及与高压正极的兼容性，如在LFP、LCO和Ni88电池中的表现所示。PMEC基软包电池在机械损伤下的持久运行进一步凸显了其实用性。总之，该研究为仿照橡胶轮胎的适应力学和结构完整性的下一代SSEEs设计提供了引人注目的蓝图，为更安全、更持久的固态LMBs铺平了道路。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie 上，文章的第一作者是中山大学博士研究生姚正银。

Design and Preparation of Self-Adaptive and Robust Solid-State Elastomeric Electrolyte for Lithium Metal Battery Inspired by Rubber Tire

Zhengyin Yao, Zhen Liu, Kang Xia, Shuo Zhao, Haoru Xie, Xurui Li, Sili Zhou, Dongbai Sun and Peng Zhang*

Angew. Chem. Int. Ed.2025, DOI: 10.1002/anie.202513167

通讯作者及课题组简介

张鹏，中山大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师，长期致力于高分子加工工程、聚合物固态电池、导电聚合物及其杂化材料的研究。课题组围绕聚合物电池导电网络构筑和离子输运机制，开展系统性研究。本研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、麒祥高新材料有限公司、上海光源、国家蛋白质中心等单位的大力支持。欢迎有志于聚合物固态电池材料研究的同学加入我们！

来源：X一MOL资讯