福州大学郑云/张久俊JACS：“催化功能域”——从催化反应的新视角理解Li+传导

第一作者： 汪鸿遥 

通讯作者（或者共同通讯作者）： 郑云，张久俊 

通讯单位： 福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院、福建省高能电池及新能源设备与系统工程研究中心

论文DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.6c03577 

一、全文速览：

固态锂金属电池因其高能量密度和本质安全性，已成为储能领域的研究前沿。（eTransportation, 2024, 20, 100311; Adv. Energy Mater., 2025, e01760; Adv. Mater., 2024, 36, 2314120; Adv. Funct. Mater., 2025, e11011; Adv. Mater., 2025, e05695; Adv. Mater., 2025, e10197; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e202508857; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e202502728; J. Am. Chem. Soc., 2026, 148, 2972-2984）。其中，聚醚类电解质（PEs）凭借优异的界面兼容性与加工性能，被视为理想体系。然而，其始终受限于离子电导率和Li⁺迁移数偏低这一核心瓶颈，根源在于“解离−传输”悖论：Li⁺−聚合物强相互作用虽有利于锂盐解离，却会抑制Li⁺迁移。现有结构调控或组分优化策略，仍难以同时兼顾高自由Li⁺浓度与快速Li⁺传输。

近日，福州大学郑云教授、张久俊院士团队提出“催化功能域”策略，从反应动力学角度重构Li⁺传输机制。该工作将Li⁺传导过程归结为两类关键可逆反应：锂盐解离/复合（LiTFSI ⇌ Li⁺ + TFSI⁻）与Li⁺配位/解配位（Li⁺−O ⇌ Li⁺ + •O⁻），并通过催化调控实现协同优化。具体而言，研究通过原位聚合引入具有弱路易斯酸性和高介电特性的Ti⁴⁺位点，构建催化功能域。一方面，Ti⁴⁺锚定阴离子（TFSI⁻），促进锂盐解离并提升自由Li⁺浓度；另一方面其吸电子效应削弱Li⁺−聚合物配位，加速解配位过程，从而协同破解“解离−传输悖论”，显著提升Li⁺传导能力。

得益于此，所装配的Li||Li对称电池稳定循环超过2800小时；Li||NCM523与Li||NCM811全电池在1C下分别循环600圈和403圈后，仍可保持82.4%和80%的容量保持率，展现出优异的循环稳定性。这项工作提出的“催化功能域”策略为高性能锂金属电池的聚合物电解质设计开辟了新的思路与方向。

二、本文亮点

（1）基于催化反应的新型Li⁺传导理论框架：作者突破传统将Li⁺传导视为物理过程的认知，首次从催化反应视角重构其机制，将Li⁺传输归结为两类关键可逆反应：锂盐解离/复合（LiTFSI ⇌ Li⁺ + TFSI⁻）与Li⁺耦合/解耦（Li⁺−O ⇌ Li⁺ + •O⁻）。该框架将复杂的离子传导问题转化为可调控的化学反应过程，为高性能聚合物电解质设计提供了全新的理论基础。

（2）“催化功能域”策略实现解离-传输协同优化：针对“解离−传输悖论”，作者在聚醚电解质中构建催化功能域，通过引入具有弱路易斯酸性和高介电特性的Ti⁴⁺位点，实现双重调控：一方面锚定阴离子以促进锂盐解离、提高自由Li⁺浓度；另一方面通过吸电子效应削弱Li⁺−聚合物配位，加速Li⁺迁移过程，从而协同提升离子传输效率。该电解质在室温下实现1.14 mS·cm⁻¹的离子电导率和0.77的Li⁺迁移数，性能处于同类体系前列。

（3）长寿命、高稳定性锂金属电池性能：得益于催化调控的快速Li⁺传导，所构建的催化调控聚醚电解质（CPPE）展现出优异的电化学稳定性：Li||Li对称电池稳定循环超过2800小时；Li||NCM523与Li||NCM811全电池在1C倍率下循环600次和403次后仍保持82.4%和80%的容量，表现出优异的长循环寿命。该结果验证了“催化功能域”策略在实现高效传导与界面稳定方面的显著优势，为高能量密度、且长寿命的固态锂金属电池发展提供了新方向。

三．主要内容：

图1. “催化功能域”策略的设计原则和锂离子传输机制

作者巧妙引入具有弱路易斯酸性和高介电特性的Ti⁴⁺位点，实现双重调控：一方面锚定阴离子以促进锂盐解离、提高自由Li⁺浓度；另一方面通过吸电子效应削弱Li⁺−聚合物配位，加速Li⁺迁移过程，从而协同提升离子传输效率，最终实现了兼具长寿命与高稳定性的准固态锂金属电池。

图2. “催化功能域”策略的CPPE的化学环境表征和模拟

作者通过表面静电势和差分电荷密度模拟表明，在PDOL基电解质中引入Ti⁴⁺基材料可有效削弱EO的电子云密度。进一步结合傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）及同步辐射技术对CPPE进行深入表征，证实了Ge⁴⁺与PDOL中醚氧（EO）之间存在吸电子效应。具体而言，Ti⁴⁺位点一方面削弱了Li⁺与EO之间的强配位，另一方面与EO形成了弱配位结构，加速Li⁺迁移过程，从而协同提升离子传输效率。该研究从分子模拟与实验表征两方面，为“催化功能域”策略提供了坚实的理论与实验证据。

图3. “催化功能域”策略的CPPE的基本电化学性能

作者进一步对CPPE的电化学性能及离子传输行为进行了系统表征。拉曼光谱结果表明，“催化功能域”中引入的具有弱路易斯酸性和高介电特性的Ti⁴⁺位点可有效促进锂盐解离，从而提高体系中自由Li⁺浓度。进一步结合核磁共振分析，⁷Li NMR结果显示Li⁺与聚醚链段中EO基团的配位作用明显减弱，而¹⁹F NMR结果则表明TFSI⁻阴离子运动受到有效限制。上述结果共同证明该策略实现了“解离−传输”的协同调控，从而使CPPE展现出优异的Li⁺导电性，室温下离子导电率达到1.14 mS cm⁻¹，Li⁺迁移数高达0.77。

图4. “催化功能域”策略的CPPE的理论计算

为进一步揭示CPPE中Li⁺快速传导的内在机理，作者结合密度泛函理论（DFT）与分子动力学（MD）模拟开展了系统研究。DFT结果表明，相较于对比体系PPE，CPPE中Li⁺在相邻EO位点间的迁移能垒显著降低（由3.79 eV降至2.29 eV），说明“催化功能域”通过Ti⁴⁺位点调控配位环境，有效削弱了Li⁺−聚合物相互作用，从而降低迁移阻力。进一步的MD模拟显示，CPPE中Li⁺与阴离子及聚合物链的配位作用均明显减弱；同时，Li⁺扩散系数较PPE提升近一个数量级。上述理论结果从原子尺度验证了CFD策略对“解离−传输”悖论的协同调控作用，并为实验中观察到的高离子电导率提供了理论依据。

图5. Li|CPPE|Li对称电池在25 ℃下的电化学性能以及锂金属负极界面锂枝晶行为

为了评估“催化功能域”的CPPE与锂金属负极的界面稳定性，作者组装了Li|MPPE|Li对称电池，在0.1 mA cm⁻²电流密度下实现2800小时稳定循环，这得益于CPPE通过优化局部配位，实现均匀离子通量，有效缓解浓差极化，从而有效提升了锂沉积/剥离过程中的可逆性与界面稳定性。进一步结合扫描电子显微镜（SEM）和COMSOL模拟观察证实，CPPE能引导锂金属形成致密、无枝晶沉积形貌，并抑制局部电流聚集，从而实现均匀沉积行为，为电池长期稳定运行提供保障。

图6. 在25 ℃下锂沉积/剥离过程中负极/正极-电解质界面的结构和成分分析

为进一步阐明“催化功能域”对界面稳定性的作用机制，作者结合XPS深度溅射与原位电化学阻抗谱（EIS）-弛豫时间分布（DRT）分析开展研究。XPS结果表明，相较于PPE，CPPE在循环后形成了碳酸盐含量更低、富含Li₂O与Li₂S等无机组分的SEI层，有助于降低界面阻抗并提升离子传输能力。进一步的EIS-DRT分析显示，CPPE体系在充放电过程中各界面过程的阻抗更低且变化更小，表明其电极/电解质界面动力学更加稳定。上述结果从界面化学与动力学角度共同揭示了CFD策略实现电池长循环稳定性的内在机制。

图7. Li|CPPE|LFP和LiCPPE|NCM全电池在25℃下的电化学性能

在全电池性能方面，CPPE展现出优异的长循环稳定性。在Li||LFP体系中，其在2C电流密度下循环2000多次后仍保持81.1%的容量。在高电压Li||NCM523体系中，电池在1C下循环600次后仍保持82.4%的容量，同时在5C高倍率下仍具备良好的容量输出能力。进一步在Li||NCM811电池中，CPPE同样实现稳定运行，在1C条件下循环403次后仍可保持约80%的容量。上述结果表明，CPPE在多种正极体系中均具备优异的循环稳定性与倍率性能，为高能量密度准固态锂金属电池提供了有力支撑。

四、总结与展望

作者提出“催化功能域（CFD）”策略，通过在聚醚类电解质中引入Ti⁴⁺位点，构建具有特定化学功能的局域环境，从反应动力学角度协同调控锂盐解离与Li⁺迁移过程。该策略有效削弱Li⁺与聚合物醚氧之间的配位作用，同时促进锂盐解离并提升自由Li⁺浓度，实现了优异的室温电导率（1.14 mS cm⁻¹），Li⁺迁移数（0.77）。基于此，CPPE在Li||Li对称电池及Li||LFP、NCM523和NCM811全电池中均表现出优异的电化学性能，尤其是在全电池体系中实现了长期稳定循环，并兼具良好的倍率性能。这项工作从催化反应视角重构了Li⁺传导机制，为高性能聚合物电解质及准固态锂金属电池的设计提供了新的思路与发展方向。

五、文献详情

文章信息：H. Wang, S. Duan, Z. Lu, B. Qin, S. Liu, Z. Li, Z. Liu, H. Chen, W. Yan, J. Zhang*, Y. Zheng*, Catalytic Functional Domain Enables Rapid Li⁺ Conduction in Polyether Electrolytes for Quasi-Solid-State Batteries, Journal of the American Chemical Society, 2026, https://doi.org/10.1021/jacs.6c03577.

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c03577.

六、作者简介

第一作者：

汪鸿遥，福州大学材料科学与工程学院/新能源材料与工程研究院2025级博士生，师从张久俊院士和郑云教授。主要研究方向为固态/准固态聚合物电解质，共发表SCI论文6篇，其中以第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文3篇。

通讯作者：

郑云教授简介：福州大学教授、博导，福州大学材料科学与工程学院，担任新能源材料与工程研究院书记、福建省高能电池与新能源装备系统工程研究中心书记。清华大学博士，滑铁卢大学博后，回国后加入福州大学，入选国家教育部海外引才专项，福建省引才“百人计划”、福建省“闽江学者”特聘教授、福建省B类高层次人才，2024、2025全球前2%顶尖科学家（Stanford）、2024威立中国开放科学高贡献作者（Wiley）。长期从事固态电池（弱配位聚合物电解质）方面的研究，近十年共发表SCI论文120余篇，其中以第一或通讯作者在CSR (2)、EER、PMS、PNAS、Joule、JACS (2)、Angew. (4)、AM (6)、AEM (3)、AFM (3)等期刊上发表论文60余篇，包括15篇ESI高被引论文、热点文章和封面文章。授权/公布发明专利25项，撰写中英文学术专著3本，主持/参与国家级和省级科研项目10余项，受邀担任国际电化学能源科学院（IAOEES）理事、中国工业合作协会新材料与能源应用专业委员会理事，以及中国工程院院刊系列ENGINEERING Energy等领域知名期刊的青年编委、客座编辑和科学编辑。

个人邮箱：yunzheng@fzu.edu.cn

张久俊教授简介：中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中国化学会会士、中国化工学会会士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学教授、博导，福州大学材料科学与工程学院院长、福州大学新能源材料与工程研究院院长。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO₂电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告900余篇，编著书30本，书章节51篇，被引用11.5万多次（H-Index为148）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编、中国工程院院刊能源分刊《ENGINEERING Energy》期刊副主编、中国化学化工出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。