能源部橡树岭国家实验室的研究人员提出了一条全新的超离子聚合物电解质设计路线，可用于固态电池及其他能源相关技术，有望提升美国未来能源系统的安全性与可靠性。团队证明，通过精确调控基于锂盐的聚合物化学组成，可以获得一种材料，使电池以及多种储能与能量转换技术中的离子实现极高速传输。

“全球科研人员都在努力挖掘聚合物电解质的潜力，因为与传统液态电解质相比，它们具备许多优势。”橡树岭国家实验室化学科学部研发科学家 Catalin Gainaru 表示，“快速离子传输一直是聚合物电解质的核心难题，而我们的最新结果显示，这个难题很可能已经被突破。”

电池通常由正极和负极两块电极构成，中间由电解质隔开。充放电过程中，离子必须在电解质中高效往返于两极之间。传统电池多采用液态或凝胶电解质，但随着对更安全、更高能效储能的需求不断提升，采用固态电解质的固态电池逐渐受到关注。固态电池有望实现更快充电、更高安全性、更紧凑的结构以及更长的使用寿命。

固态电池中的离子传输难题

目前许多固态电池方案使用陶瓷电解质，这类材料因能极高效地传导离子，被称为超离子陶瓷。然而，陶瓷材料本身脆性较大，不易加工成薄膜，也难以与电极形成良好界面。橡树岭国家实验室的研究团队展示了聚合物材料也可以进入类似的超离子状态：在这种状态下，离子的运动速度可比周围环境快上 100 亿倍，同时避免了液态电解质易泄漏和陶瓷电解质易碎等问题。

聚合物由长链分子构成，这些长链由重复的小单元连接而成。常见的塑料就是典型例子，通常由含碳及其他元素的重复结构组成。橡树岭团队开发的聚合物电解质中引入了极性片段，有利于锂盐在其中分散和稳定存在，并显著提升离子迁移能力。

这项成果发表在《Materials Today》期刊上，是能源部能源前沿研究中心（EFRC）“基于聚合物材料的快速协同离子传输（FaCT）中心”项目的一部分。

“FaCT EFRC 的目标，是系统理解如何通过分子设计构建新型聚合物，从根本上改变离子传输的方式。”橡树岭国家实验室化学科学部杰出研究员 Tomonori Saito 介绍说，“我们设计了一种非常特殊的聚合物，其中的片段会自发组织成高迁移率通道，为离子提供快速通行路径。”

分子设计策略驱动超离子行为

此次工作的关键在于：通过引入精确数量的两性离子基团，对聚合物结构进行细致调控。这些功能基团同时带有正电荷和负电荷，能够显著提高局部极性，但整体大分子仍保持电中性。借助精细的合成与功能化工艺，研究人员可以控制附着在聚合物主链上的两性离子基团数量，使离子在材料内部形成类似“口袋”的局部环境。

在这些“口袋”中，离子的相互作用被形象地比作晚宴上的交谈场景。起初，材料中存在许多分散的小“谈话圈”，离子在各自的局部环境中活动。随着“口袋”数量增加，这些局部区域逐渐连通，形成连续的整体“嗡鸣”，离子开始像顺畅的对话一样在材料中流动。但如果两性离子基团过多，这种有序的“嗡鸣”会演变成混乱的“噪音”，反而阻碍离子传输。

研究表明，当约 80% 的聚合物重复单元被两性离子基团功能化时，体系达到最佳状态。此时，原本分散的“口袋”连接成贯通的通道网络，离子可以沿着这些通道有序跳跃，传输阻力降至极低水平。

接下来，研究团队计划在这一早期成果基础上，进一步解析赋予聚合物超离子特性的根本机制。他们将利用橡树岭的超级计算资源开展建模与模拟，并结合人工智能驱动的机器人自主化学平台，系统探索影响离子传输的关键因素。同时，团队还计划在橡树岭的脉冲中子源——能源部科学办公室的用户设施——开展中子散射实验，从分子尺度直接观察材料内部的结构与动态行为。

虽然固态电池是这类新电解质最直接的应用方向，但许多能源技术同样依赖高效的离子传导。例如流动电池、燃料电池、电网级储能系统等，都可能从这类新型聚合物材料中获益。

“我们很难预先列出所有可能受益的技术。”Saito 表示，“凡是需要一层对气体和液体高度阻隔、却允许离子自由通过的功能薄膜的场景，都是这类聚合物电解质的潜在应用领域。”