研究背景与挑战
固态聚合物电解质（SPE）因其优异的加工性和安全性，被认为是下一代高能量密度锂金属电池的核心材料。然而，传统聚环氧乙烷（PEO）基电解质在 100℃以上高温环境中面临三大致命问题：力学性能急剧衰减、电极 - 电解质界面粘附力减弱、锂枝晶 uncontrollable 生长，这严重限制了其在极端温度条件下的应用。
针对这一行业痛点，清华大学王朝副教授团队与西南交通大学陈滔研究员团队联合攻关，在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》发表重要研究成果，创新性地提出了 "刷接刷（Brush-on-Brush）" 拓扑结构设计策略。
创新设计：刷接刷拓扑结构 BOB-Li 电解质
研究团队通过精密的分子工程设计，构建了具有独特层级拓扑结构的 BOB-Li 电解质体系：
材料合成与结构表征
研究人员首先通过原子转移自由基聚合（ATRP）技术精准合成了主链 - 侧链分级刷状聚合物骨架。利用核磁共振波谱仪（¹H NMR、¹³C NMR）对聚合物的化学结构和接枝度进行了精确表征，确认了刷状分子的成功构筑。
通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析，研究团队验证了聚合物链段与锂盐之间的氢键相互作用，证实了聚乙二醇丙烯酸酯（PEGA）侧链上的醚氧键能够有效配位 Li⁺离子，为离子传导提供了连续通路。
热学与力学性能评估
为验证高温稳定性，研究团队采用热重分析仪（TGA）进行热分解测试，结果显示 BOB-Li 电解质的初始分解温度高达 280℃，展现出优异的热安全性。
通过差示扫描量热仪（DSC）测试玻璃化转变温度（T_g），结合动态力学分析仪（DMA）在宽温度范围内的储能模量（G'）监测，证实该电解质在 110℃下仍能维持 10⁶ Pa 以上的高模量，为抑制锂枝晶提供了充足的力学支撑。
研究人员还利用万能材料试验机进行 90° 剥离测试，发现 BOB-Li 与锂金属的界面粘附强度达到 2.1 N・cm⁻¹，是传统 PEO 电解质的 3 倍以上，有效解决了高温下界面脱粘问题。
BOB 共聚物的设计与合成
作用机制深度解析
离子溶剂化结构调控
借助拉曼光谱仪和高分辨 X 射线光电子能谱仪（XPS），研究团队深入分析了离子溶剂化行为。结果表明，独特的刷接刷拓扑结构能够诱导形成富阴离子型溶剂化鞘层，降低 Li⁺迁移能垒，使 Li⁺迁移数提升至 0.58。
固体电解质界面（SEI）演化研究
通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察循环后的锂负极表面形貌，结合飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）进行界面成分深度剖析，研究发现 BOB-Li 电解质能够诱导生成富含 LiF、Li₂O 等无机组分的致密 SEI 膜，有效阻断了锂枝晶的生长路径。
电解质与锂金属负极的界面稳定性评估
电化学性能全面验证
离子电导率测试
采用电化学工作站进行电化学阻抗谱（EIS）测试，BOB-Li 电解质在 110℃下离子电导率达到 3.2×10⁻⁴ S・cm⁻¹，满足实用化电池的工作要求。
对称电池稳定性
组装 Li|BOB-Li|Li 对称电池，在蓝电电池测试系统上进行恒流充放电测试：
• 110℃、0.5 mA·cm⁻²条件下，稳定循环超过600 小时，过电位始终低于 60 mV；
• 临界电流密度（CCD）达到1.85 mA·cm⁻²，展现出优异的锂枝晶抑制能力。
全电池长循环性能
匹配 LiFePO₄正极组装全电池，在 110℃高温环境下：
• 1C 倍率循环1000 次后，容量保持率高达90%；
• 平均库仑效率超过99.9%；
• 无明显电压极化增大现象。
离子溶剂化环境、电化学性能及理论计算分析
研究总结与展望
本工作通过拓扑工程策略，成功解决了传统聚合物电解质高温下力学 - 电化学性能不兼容的核心矛盾。"刷接刷" 结构设计实现了：
✅ 高温力学稳固性：110℃下保持高模量和粘附力；
✅ 界面相容性优化：富无机 SEI 膜稳定电极 - 电解质界面；
✅ 离子传输增强：特殊溶剂化结构提升 Li⁺迁移数；
✅ 超长循环寿命：110℃下 1000 次循环容量保持 90%。
该研究为极端环境下的储能系统开发提供了全新的材料设计思路，推动了固态锂金属电池在高温特种电源、电动汽车热安全等领域的实用化进程。
钧研实验室技术支持
钧研实验室专注于广大科研工作者提供材料表征、热学与电化学等测试技术服务。
聚合物结构表征：NMR、FTIR、GPC、XRD 等；
电化学性能测试：EIS、LSV、CV、电池长循环测试；
界面与形貌分析：SEM、TEM、XPS、TOF-SIMS、AFM；
热学与力学测试：TGA、DSC、DMA、拉伸 / 剥离强度测试；
专业数据分析：XPS 在线数据分析、SEM 填色与粒径统计、紫外/可见在线分析等。
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