随着电子设备的集成化和电动汽车的发展，当前的储能设备已无法满足日益增长的能量密度的需求。锂金属固态电池被视为提升储能设备能量密度的有效解决方案。不幸的是目前商业化的SPE的氧化稳定性尚不满足需求，这与聚合物的含氧官能团结构高度相关，高氧化稳定性结构的聚合物研究和开发迫在眉睫。

  砜基电解质强耐氧化和较差的锂金属界面兼容性的特征在液体电解质中以得到证明，而砜类在固态电解质中的研究进度缓慢。针对以上问题，近期天津大学封伟教授领导的FOCC团队对以砜基作为含氧官能团的新型聚合物作为电解质设计展开了研究，通过结构设计和优化制备了聚砜-醚非对称双层聚合物固态电解质，实现了兼顾高压稳定性和锂金属界面稳定性，室温下在与NCM90和LRMO正极组成的锂金属电池表现出高的库伦效率和循环稳定性。

  2026年1月26日，相关成果以“Aliphatic side-chain-type polysulfone electrolyte modification and asymmetric double-layer structure design for high-voltage lithium metal batteries” 为题，发表于《Materials today》，为聚合物基电解质在高压锂金属固态电池中的应用给出了新的解决方案。论文第一作者为天津大学材料学院博士研究生王勇，论文通讯作者为天津大学材料学院封伟教授。

一、聚砜电解质的电化学性能

  传统的乙烯基脂肪族砜类单体的自由基聚合活性较低，为了获得可聚合的脂肪族聚砜单体，团队设计了高自由基聚合活性的丙烯酸2-(甲基砜基)乙酯（MSEA），通过凝胶色谱可以发现聚合物的重均分子量可达到10×10⁵,表明设计的分子结构已经克服乙烯基砜单体难以通过自由基聚合的缺陷，将MSEA和LiFSI混合后通过紫外光引发聚合，通过这种无溶剂的方法在电极表面进行原位聚合构筑电解质层（PS SPE）。

  氧化稳定性是PS SPE的优势之一，采用密度泛函理论（DFT）计算得到PS的HOMO 能级可达-7.87 eV ，显著低于乙二醇二甲醚和聚乙二醇单体，表明它具有高理论氧化电位，通过LSV测试其氧化电位，其氧化电压大约可达5.93 V，显著高于醚类电解质；此外通过计算砜基结构单元的表面静电势可以发现砜基官能团硫原子和氧原子附近分别形成了正负电荷中心，导致其与阴离子具有较强的离子-偶极相互作用，从而限制了阴离子运动，通过计算不同含氧官能团对于锂离子和阴离子的结合能也能够证明这一观点，这使得PS SPE能够获得超过0.6 的锂离子迁移数。

图1. 聚砜电解质的合成机理及性能

图2. 砜基结构单元的理论计算

二、增塑策略优化聚砜电解质的电化学性能

  离子电导率制约了PS SPE的实际应用，选择合适的增塑剂是提升聚合物电解质离子电导率的有效方案，但是传统的增塑剂一般为电解质溶剂，它们通常极易挥发，导致电解质的工作温度范围变窄。受到对砜基性质探究的启发，团队选择将二甲基砜（MSM）作为增塑剂引入PS SPE中，其本身的高沸点和低挥发性质是理想的增塑剂选择，由于分子结构的相似性，MSM可以起到打破聚砜大分子链段间的相互作用，也可以起到传统增塑剂的对锂离子传递的协同作用，可以发现随着MSM含量的增加离子电导率大幅度增加，当MSM质量分数达到27%时，室温离子电导率达到4.1×10^-4 S/cm。

  为了探究增塑聚砜电解质（M-3PS SPE）对锂金属负极的稳定性测试了Li||Li电池和Li||Cu电池性能并与砜类液态电解质进行比较，通过测试发现M-3PS SPE的循环稳定性相比液体砜类电解质得到了改善，通过SEM对锂金属负极表面形貌可以观察到液体砜类电解质的金属锂表面被严重腐蚀，而M-3PS SPE的腐蚀程度较轻，通过XPS分析金属锂表面具有明显的砜基的分解产物，说明了砜基电解质对金属锂负极的稳定性急需改善。

图3. MSM增塑聚砜基电解质的电化学性能

三、聚醚-聚砜非对称电解质设计优化聚砜电解质的锂金属负极兼容性

  利用固态电解质特有的固体性质能够在特定的空间保持结构的独立性，构建非对称的双层固态电解质实现对正极和负极的同时兼容。借鉴局部高浓液体电解质的设计，在聚醚电解质中加入氟化醚反溶剂分子对聚醚进行增塑，这样可以保证高浓度聚醚电解质获得可以接受的离子电导率，同时氟化醚作为反溶剂还可以构建富含氟化锂的界面并减缓砜类分子尤其是MSM向聚醚层的扩散进一步提高对锂金属保护的可靠性。考虑到双层工艺的可操作性和机械性能的稳定，采用7微米的PE隔膜进行支撑并构建聚醚层，聚砜层构建在聚醚层之上，通过光引发的方式在锂金属负极表面实现原位构建聚醚-聚砜双层电解质（E-S SPE）。环境扫描电子显微镜显示E-S SPE电解质膜的厚度约为22微米，双层结构被很好的保留下来，界面接触良好。

图4. E-S SPE的制备与电化学性能

  受限于聚醚层的离子电导率和锂离子迁移数，E-S SPE的室温离子电导率下降至2.28×10^-5 S/cm，60 ℃为1.56×10^-4 S/cm，锂离子迁移数在室温下为0.49，相比于M-3PS SPE，锂离子的传输遭到了限制，得益于PE隔膜的支撑作用，电解质厚度得以控制在22 μm左右，显著降低的厚度补偿了离子电导率的下降，同时还有利于电池能量密度的提升，通过LSV测得E-S SPE的电压窗口约为5.78 V，仍可以满足NCM90和LRMO等高压正极的工作电压，为电解质在高压下应用提供了保障。

图5. E-S SPE 的锂金属负极界面稳定性

  E-S SPE 电解质的锂金属界面稳定性是设计它的关键指标，组装Li||Li和Li||Cu评估电解质的稳定性，室温条件下经过1200 h，过电势在整个循环过程中保持稳定，而Li||Cu电池也可以稳定循环高达500圈，平均库伦效率达到94.31 %。通过聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）来捕捉Li|E-S SPE|Li对称电池在0.5 mA/cm²下循环500 h的锂金属沉积形貌，沉积层和SEI的厚度约为4.7μm，并且平滑而致密，没有明显的破碎和空隙。XPS分析观测到S 2p 图谱中Li₂S等砜类的还原产物的峰信号消失，证明了聚砜的还原被成功抑制，显著提升的氟含量归因于氟化醚分解产生的LiF，其高电子绝缘性防止电解质与金属锂发生电子交换从而减弱了还原反应，氟化锂的高机械强度可以抑制枝晶的生长，聚醚作为稳定的锂离子传导链段负责锂金属表面的锂离子传输，这种通过聚醚层改进的SEI使得E-S SPE具有高锂金属负极稳定性。

  采用电化学浮充测试确定电解质在高压锂金属电池中的稳定性，E-S SPE可在NCM90和LRMO正极组装的电池下，漏电流均小于 10μA/cm²,证明了即使引入了聚醚的E-S SPE由于非对称结构的设计依然保持了面对高压正极优秀的电化学稳定性。以1C 的充放电倍率进行长循环，NCM90和LRMO电池在循环过程中最高容量可达180.4和214 mAh/g，在经过300圈循环后容量保持率可到84.6%和73.2 %，平均库伦效率分别为99.76 %和99.61 %，展现出良好的循环稳定性。相比于液体砜基电解质聚砜电解质M-3PS SPE其室温高压电池的循环性能取得了重大的突破，为聚砜基电解质在锂金属电池中的应用提供了良好的解决思路。

图6. E-S SPE室温下匹配NCM90和LRMO正极的电池性能

  高能量密度是锂金属固态电池的设计的追求，它要求电池在有限的锂源、高负载量和高理论能量密度的正极和极少的电解质用量。在60 ℃，正极容量/负极容量（N/P）<3,电解质量小于<5 mg/cm²的条件下进行测试，0.1C/0.2D下电池经过50圈循环后容量保持率分别为84.2 %，平均库伦效率约为99.6 %，相比之下，相同的充电模式和电解质用量下高浓醚类电解质在50圈循环后容量保持率75.3 %，平均库伦效率99.0%，碳酸酯电解液甚至无法完成循环因为提前出现短路现象，通过比较三者的中位电压可以发现，E-S SPE 的中位电压下降速率远小于两种液体电解质，说明E-S SPE电池中的正极结构衰减更加缓慢，进一步通过 dQ/dV 曲线分析电池容量衰减的原因，发现H2-H3相转变峰在循环过程中出现不同程度的极化现象，E-S SPE，碳酸酯电解质和高浓醚类液体电解质的H3-H2信号峰经过循环后电压降变化分别为，6.6,18.6和117.7 mV，明显E-S SPE 的峰信号变化最小，说明砜基结构与正极表面的副反应程度最低，这不仅有效地保护了正极，也极大程度上减弱了电解质在循环过程中的消耗，有利于提升低电解质含量的高能量密度电池的循环寿命。进一步地采用LRMO为正极的高压LMB在经过化成后以0.1C/0.2D的条件进行测试，初始容量可以达到3.22 mAh，基于正极，负极（包含集流体）和电解质计算的理论能量密度达到260.6 Wh/kg，并在经过50 圈循环后容量保持率达到85.4 %。通过SEM和高分辨率投射电子显微镜（HRTEM）评估了经过0.1C/0.2D循环后的高质量负载的正极结构，发现电极表面被聚砜电解质包裹，并且活性物质颗粒结构完好，没有出现明显的破碎的现象，HRTEM显示出均匀的CEI结构。

图7. E-S SPE 60℃匹配高质量负载量正极的电池性能

  总体而言，该研究证明了聚砜作为固态电解质在高压LMBs中应用的可行性，为聚砜基电解质的实用化提供了良好的解决方案，同时也为高压锂金属固态电池体系的设计提供了新的解决思路。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103201.

通讯作者简介：

  封伟，天津大学二级教授。1992年本科毕业于西安交通大学高分子材料专业，获工学学士学位，2000年获得西安交通大学电子工程工学博士学位，后在日本大阪大学电子系、清华大学化工系做博士后研究。2004年加入天津大学材料学院高分子系任教授、博士生导师。担任第七、八届教育部科技委学部委员，中国复合材料学会常务理事、导热复合材料分会首任会长，中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事、SAMPE中国大陆总会智能复合材料专委会副主任委员等职。主要从事功能有机碳复合材料，高导热复合材料，光热能转换存储材料，高性能氟化碳材料以及智能响应功能复合材料方向研究。担任国家某能源领域重点项目首席科学家、装备预研-教育部创新团队负责人、天津市131创新团队负责人。封伟教授主持国家自然科学基金重大科研仪器项目、国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年基金项目、国家科技部重点研发等项目50余项。入选国家级科技创新领军人才，科技部中青年创新领军人才，天津市杰出人才，天津市海河英才，天津市青年科技奖、天津市131创新人才第一层次、教育部新世纪优秀人才等计划。是英国皇家化学会会士（FRSC），日本JSPS学术振兴委员会高级访问学者，享受国务院政府特殊津贴。在Chem. Soc. Rev.、Nat. Comm.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表学术文章300余篇。授权中国发明专利100余项，授权国际专利5项。主编和参编英文专著4部，国家十四五国家重点出版物1部。连续6年入选美国斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单，入选2025年度“科睿唯安”全球高被引科学家榜单。以第一获奖人身份获得教育部技术发明一等奖（2020年）、天津市自然科学一等奖（2023年）、天津市技术发明一等奖（2015年和2018年）以及中国复合材料学会科技一等奖（2023）等省部级奖5项。