太原理工大学王骞/侯利锋&南京大学金钟&南邮王师JACS丨MPN稳固态锂金属电池!

固态锂金属电池有望突破传统石墨负极锂离子电池的能量密度瓶颈，但锂金属高反应活性会诱发连续副反应和不稳定SEI，进而导致锂枝晶、生长失控和循环寿命下降。

固态聚合物电解质具备柔性、易加工和安全性优势，却常受限于离子电导率低、界面接触差和低温Li⁺传输缓慢。原位聚合能够让液态前驱体充分浸润多孔电极，再转化为固态电解质，因此可改善电极/电解质界面接触。

然而，该策略仍面临聚合链增长、离子传输受阻和高电压正极侧氧化分解等问题。SN常被用作塑化剂以提升离子电导和抗氧化性，但其腈基会活化α-H，使SN容易与锂金属发生反应并造成界面腐蚀。

该工作将SN的一端腈基替换为甲氧基，构建MPN并引入PTXE原位聚合电解质。该设计一方面利用甲氧基稳定α-H、降低凝固点并改善低温传输，另一方面保留腈基带来的高抗氧化能力，从而兼顾锂负极兼容性、高电压稳定性和低温动力学。

近日，太原理工大学侯利锋、王骞、南京大学金钟、南京邮电大学王师在Journal of the American Chemical Society发表了题为"Mitigating Succinonitrile−Li Molecular Crosstalk in In Situ Polymerization toward High-Voltage and Low-Temperature Solid-State Li Metal Batteries"的研究论文，Shuai Liu为论文第一作者，侯利锋、王骞、金钟、王师为论文通讯作者。

1. 该研究提出SN单端甲氧基化策略，将传统塑化剂SN转化为3-甲氧基丙腈MPN，从分子层面缓解SN与锂金属的副反应。 2. MPN中的−OCH₃降低凝固点至−62.9 °C，并通过C−H偶极与TFSI⁻阴离子的相互作用限制阴离子迁移、促进Li⁺传输。 3. 保留的−C≡N基团赋予MPN-PTXE固态电解质高抗氧化能力，使其在−20 °C下电化学稳定窗口超过5.0 V。 4. MPN-PTXE在−20 °C下实现0.9 × 10⁻³ S cm⁻¹离子电导率和0.70 Li⁺迁移数，并诱导形成LiF/Li₃N/Li₂S富集的稳定SEI。 5. Li∥LFP、Li∥NCM811、Li∥NCM622和Li∥LCO全电池在高倍率、高负载、高电压以及−20 °C至−40 °C低温条件下均展现优异稳定性。

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原位聚合技术为构筑具有紧密电极−电解质界面接触的固态锂金属电池提供了有前景的路径。然而，其应用常受低温下Li⁺动力学缓慢以及对高电压正极稳定性不足的限制。

SN虽可作为塑化剂提升离子电导率和抗氧化能力，但其对锂金属反应活性高，会引发持续副反应并形成不稳定界面。该研究提出甲氧基功能化策略，通过将SN的一个端基甲氧基化得到MPN，并将其引入原位聚合的PTXE电解质中，以解决SN−Li分子串扰问题。

其中，甲氧基通过C−H键引入弱正偶极，不仅将凝固点显著降至−62.9 °C，远低于SN的50 °C，从而增强低温动力学，还可通过与TFSI⁻阴离子的离子−偶极相互作用限制阴离子迁移并进一步促进Li⁺动力学。

同时，保留的吸电子腈基赋予电解质高抗氧化能力和超过5.0 V的稳定窗口。因此，所得固态电解质在−20 °C下表现出0.9 × 10⁻³ S cm⁻¹的高离子电导率和0.70的高Li⁺迁移数。

此外，Li∥LFP、Li∥NCM811、Li∥NCM622高负载电池和Li∥LCO高电压电池均可在−20 °C甚至−40 °C下稳定运行并保持较高容量。

该工作提供了一种可行的分子功能化策略，用于克服固态锂金属电池中传统塑化剂的界面不兼容问题，推动其实用化发展。

📊 图文解读

图1 | 通过SN端基甲氧基化设计MPN，降低凝固点并改善对锂金属的稳定性

研究人员将SN的一个端基引入−OCH₃得到MPN。ESP结果显示MPN中负电荷在O和N之间更分散，反应活性降低；同时−OCH₃使凝固点降至−62.9 °C。¹H NMR和锂金属接触实验进一步证明，MPN比SN更能抑制锂诱导自聚合和界面腐蚀。

图2 | MD、RDF和Raman揭示MPN-PTXE中Li⁺弱配位和阴离子富集迁移机制

MD模拟和RDF分析表明，MPN-PTXE中Li⁺与MPN的N/O位点配位数低于SN-PTXE中Li⁺与SN的配位数，有利于降低脱溶剂化能垒。

Raman结果显示MPN-PTXE中AGGs比例更高，可促进阴离子衍生、无机富集SEI形成，从而提升低温Li⁺迁移和界面稳定性。

图3 | MPN-PTXE在−20 °C下展现高离子电导、高Li⁺迁移数和宽电化学窗口

EIS结果显示MPN-PTXE在室温和−20 °C下均具有更高离子电导率，−20 °C下达到0.9 × 10⁻³ S cm⁻¹，活化能仅0.1 eV。该电解质Li⁺迁移数达到0.70，Tafel曲线显示更快界面动力学；

DSC、CV、LSV和HOMO/LUMO计算共同证明其低Tg、高界面稳定性和超过5.0 V的抗氧化能力。

图4 | 低温锂沉积/剥离、SEM、XPS和cryo-TEM证明MPN-PTXE构建稳定无机富集SEI

在−20 °C下，Li|MPN-PTXE|Li对称电池可稳定循环超过1000 h，而SN-PTXE电池约200 h后短路。Li|Cu半电池平均库仑效率达到99.5%。

SEM显示MPN-PTXE诱导平整锂沉积，XPS和cryo-TEM进一步确认SEI富含LiF、Li₃N和Li₂S，厚度约6 nm，有利于均匀Li⁺传导。

图5 | 多种全电池和软包电池验证MPN-PTXE在高倍率、高电压和低温下的实用性

Li|MPN-PTXE|LFP电池在10 C下循环1500圈后容量保持率接近100%，倍率性能也保持可逆。

NCM811电池在25 °C和−20 °C均稳定运行，NCM622高负载电池在−20 °C下可循环90圈，LCO电池在−40 °C下仍可稳定循环；软包电池折叠后仍能点亮LED，证明低温实用潜力。

📝 总结

总之，该工作通过创新设计甲氧基功能化腈基塑化剂，为低温固态聚合物电解质提出了一种新的分子工程策略。通过将SN中的一个端基腈基替换为甲氧基，研究人员成功获得MPN，并显著增强其与锂金属负极的界面稳定性。

引入的甲氧基作为给电子单元，提高了α-H的电子密度，从而缓解SN−Li分子串扰问题，并将凝固点降低至−62.9 °C，带来更优低温动力学。

所得MPN-PTXE固态电解质兼具醚类分子优异的锂金属兼容性和腈类分子的高抗氧化能力，可在高电压和低温下稳定循环。

因此，MPN-PTXE表现出突出的电化学性能，包括−20 °C下0.9 × 10⁻³ S cm⁻¹的高离子电导率和0.70的Li⁺迁移数。

Li∥Li对称电池在−20 °C下可稳定循环超过1000 h，Li∥LFP、Li∥NCM811和Li∥NCM622全电池也可在−20 °C下稳定运行并保持高容量。

此项研究通过选择性分子调控，为解决固态聚合物电解质中锂金属负极与SN塑化剂之间长期存在的界面不稳定难题提供了有力路径，并为低温高能量密度锂金属电池的发展带来新前景。

Mitigating Succinonitrile−Li Molecular Crosstalk in In Situ Polymerization toward High-Voltage and Low-Temperature Solid-State Li Metal Batteries,Journal of the American Chemical Society,2026,DOI:10.1021/jacs.6c07280