電解質能夠實現正負電極間的電荷傳遞、防止電池短路，是所有電池中不可缺少的部分。上個世紀90年代至今，“鋰離子電池”實現了商品化，推動了電子產品、新能源汽車等飛速發展，其中的電解質材料主要為液態有機小分子。近年來，隨著科技發展，大量設備對電池能量密度提出了更高要求。“全固態鋰金屬電池”具有高能量密度、高安全性等優點，有望成為下一代儲能設備。但傳統液態電解質存在易泄漏、易燃易爆等風險，無法用于“全固態鋰金屬電池”。聚合物電解質具備高（電）化學穩定性、可加工性等優勢，被認為是實現“全固態鋰金屬電池”的關鍵材料之一。
近日，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室的陳茂課題組基于本課題組發展的光催化活性共聚體系，設計合成了全新結構的單鋰離子導電含氟聚合物電解質，在無任何添加劑、塑化劑等促進作用下，突破性地實現了較高水平的室溫鋰離子電導率，在室溫條件下初步實現了鋰剝離/沉積循環實驗和充放電循環實驗，證實了將該類材料用于“全固態鋰金屬電池”的可行性。相關成果以“Sequencing Polymers to Enable Solid-State Lithium Batteries”為題發表于《自然·材料》(Nature Materials)。
目前，聚合物電解質主要分為鋰鹽-聚合物共混體系、單離子導電聚合物體系（含鋰鹽的基團與聚合物骨架通過共價鍵相連），兩種體系基于離子隨鏈節運動和跳躍的遷移模式對金屬離子實現傳導。前者由于聚合物鏈與離子配位會阻礙金屬離子運動，后者由于電荷相互作用會導致離子團聚，均對金屬離子的高效傳輸帶來影響（圖1），導致室溫電導率低，成為發展全固態聚合物電解質的主要瓶頸之一，嚴重限制了相關電池應用。
圖1. 鋰離子遷移機理示意圖。左）基于鏈節運動的離子遷移模式（以電中性聚合物與鋰鹽混合物為例）；中）基于跳躍的離子遷移模式（以單離子導電聚合物為例）；右）本研究提出的交替序列促進的離子遷移新模式。
圖2. A) 不同序列結構的單鋰離子導電聚合物電解質示意圖；B) 交替序列結構的單鋰離子導電聚合物電解質的分子動力學模擬圖；C) 交替序列促進鋰離子連續跳躍遷移的路徑示意圖
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01693-z
近年來，課題組在氟聚合物合成方面的相關工作請參考：Nat. Synth. 2023, 2, 653; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202304461; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202308724; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202116135; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202215628; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20443; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21470; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 919; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 7108。
