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  固態聚合物電解質（SPEs）因其良好的柔性、對電極的界面適配性，被視為實現高安全性、高能量密度鋰金屬電池的關鍵材料。然而，傳統SPEs長期面臨一個根本性矛盾——共價交聯網絡能提供良好機械強度以抑制鋰枝晶，但嚴重限制了聚合物鏈段運動，導致離子電導率低下；反之，提升離子傳輸則需要犧牲材料的機械穩定性。這個“蹺蹺板效應”是制約SPEs實際應用的瓶頸。

圖1. MSPE的設計理念

  近日，上海交通大學梁正/顏徐州/岳昕陽團隊從骨骼肌的收縮機制中獲得關鍵啟發：在肌肉中，Ca2?離子與肌鈣蛋白結合后，能驅動肌動蛋白與肌球蛋白發生相對滑動，從而實現高效的協同運動（圖1a）。

  2025年12月19日，該工作以“A Transformative Molecular Muscle Solid Electrolyte”為題發表在《J. Am. Chem. Soc.》上（DOI：10.1021/jacs.5c18427）。文章第一作者是上海交通大學博士后劉昱迒，博士生石章琴。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

  受此啟發，設計并制備了輪烷基[c2]維菊鏈（[c2]daisy chain, DC） 作為“分子肌肉單元”。這是一種由兩個互穿的大環組成的機械互鎖分子，大環可以在線性軸上自由滑動。將其作為交聯點引入到以聚乙二醇（PEG）為主鏈的網絡中，構建了機械互鎖網絡（^DCMIN）（圖1b）。其中，PEG負責與Li?配位傳導離子，而[c2]DC單元的滑動運動則可以“拉動”整個PEG鏈段，協同增強離子傳輸動力學（圖1c）。

圖2. 離子電導與機械性能協同提升

  基于^DCMIN的分子肌肉電解質（MSPE）表現出1.04 mS cm?1的室溫離子電導率，是傳統共價交聯網絡電解質的17倍。同時，MSPE保持了優異的機械性能，楊氏模量達5.70 MPa，韌性為4.93 MJ m?3（圖2）。此外，通過分子動力學模擬和對照實驗（如乙酰化去除主客體相互作用的Ac-MSPE），團隊明確揭示了性能提升的微觀機制：[c2]DC單元的滑動運動有效促進了PEG鏈段的整體運動，從而縮短了Li?在配位點上的停留時間，顯著提升了Li?遷移速率（圖3）。這種機制類似于肌肉中“肌絲滑動帶動離子協同運動”。此外，機械互鎖網絡賦予MSPE出色的能量耗散能力。在循環過程中，鋰金屬電極的反復形變所產生的應力能被網絡有效吸收和耗散，從而維持了電解質的結構完整性，抑制了鋰枝晶的生長和界面副反應。基于MSPE的鋰金屬電池展示出優異的綜合性能。

圖3. MSPEs中的鋰離子傳輸

  這項研究工作提出了一種全新的電解質設計范式：將具有可控滑動特性的“分子肌肉”作為功能單元引入聚合物網絡，在分子尺度上實現了力學增強與離子傳輸的協同提升，成功解決了固態鋰金屬電池中“機械強度與離子電導率難以兼得”這一經典難題。這為開發下一代兼具高能量密度、長壽命和高安全性的全固態鋰電池提供了嶄新的思路和材料平臺。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c18427