东华大学缪月娥/张辉&上海交大赖飞立等: 面向固态锂电池的“离子门控”聚多酚复合电解质，重塑有机-无机界面

Polyphenol-Gated Composite Electrolytes with Enhanced Cross-Phase Lithium-Ion Transport for Solid-State Lithium Batteries

Xiaoxiao Li, Minqiang Jiang, Kai Chen, Zhixiang Cai, Yingxin Zhang, Jiamei Luo, Lei Hou, Yazhou Zhou, Chao Zhang, Hui Zhang*, Feili Lai*, Yue-E Miao*, Tianxi Liu, Klaus Müllen

Nano-Micro Letters (2026)18: 279

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02127-6

本文亮点

1. 仿生门控，界面重构：提出一种聚多酚“离子门控”界面改性策略，通过在聚合物/陶瓷界面引入含多官能团的聚多酚层，实现对跨相离子传输的主动调控，从传统界面阻碍转变为选择性输运通道。

2. 双重作用，协同增效：聚多酚界面层分子中的羰基可与Li⁺配位促进其定向迁移，–OH/–NH–基团通过氢键固定阴离子，协同提升了Li⁺迁移数与电导率，同时降低了界面能垒。

3. 性能突破，稳定循环：所构建的复合固态电解质离子导电性、迁移数及界面稳定性全面提升，组装的电池实现了高容量输出与长循环寿命，展现出优异的综合性能。

研究背景

全固态锂金属电池兼具高能量密度与本征安全性，是下一代储能体系的重要发展方向。其中，聚合物/陶瓷复合固态电解质兼具聚合物电解质的柔性与陶瓷相的高离子导电性，成为当前的研究热点。然而，这类体系普遍面临着如下瓶颈与关键问题：Li⁺在有机-无机界面处的跨相迁移困难，界面电阻高，同时阴阳离子耦合严重，导致Li⁺迁移数下降，难以充分发挥陶瓷相的快离子导体优势。现有策略多集中于填料分散或界面润湿性的改善，但往往仅停留在结构优化层面，对于如何实现锂离子选择性输运缺乏深入设计。受自然界中细胞膜离子通道对特定离子的精准筛选与快速传输启示，如何借助仿生理念在分子层面构建具有选择性与方向性的离子传输界面，是实现复合固态电解质性能突破的前提与关键。

内容简介

针对复合固态电解质中界面离子传输效率低的难题，东华大学缪月娥、张辉&上海交通大学赖飞立等提出了一种聚多酚“离子门控”仿生界面工程策略，通过在陶瓷纳米纤维与聚合物基体之间引入聚多酚分子层，实现界面结构与功能的协同优化。聚多酚分子(如聚多巴胺(PDA)、聚单宁酸 (PTA)、聚没食子酸(PGA))一方面通过其丰富的羰基位点与Li⁺形成配位作用，降低跨相迁移的能垒并引导Li⁺定向传输；另一方面，–OH与–NH–基团通过氢键作用有效束缚阴离子(TFSI⁻)，削弱Li⁺-TFSI−间的强耦合作用，促进锂盐解离并提高界面区域的自由Li⁺浓度。由此，在聚合物与陶瓷之间构建出类似生物离子通道的“化学门控”界面，使界面区域由传统的传输受阻转变为促进Li⁺快速迁移的功能层。同时，结合静电纺丝构建的连续LLTO纳米纤维骨架以及原位聚合形成的聚合物网络，形成了结构均一、界面紧密且力学性能优异的复合电解质体系，为实现高效离子传输提供了稳定基础。

图文导读

I 界面“离子门控”：仿生通道开启跨相传输

如图1所示，本研究借鉴细胞膜离子通道的选择性传输机制，在聚合物/陶瓷界面引入聚多酚分子，构建出具有“离子门控”功能的仿生界面结构。利用聚多酚作为主动调控离子行为的功能单元：其骨架中的羰基为Li⁺提供了稳定配位位点，引导其在界面处实现有序迁移；与此同时，极性官能团–OH与–NH–基团通过氢键作用对阴离子(TFSI⁻)进行束缚，从而在界面区域形成富Li⁺和限制阴离子的传输环境。这种类似生物离子筛选通道的结构，使界面由原本的扩散阻碍层转变为具有选择性加速作用的离子通道，为锂离子高效跨相迁移奠定了基础。

图1. 离子选择性仿生界面的设计以及锂离子选择性调控机制。

II 结构构筑：纳米纤维网络连续传输路径

通过静电纺丝方法构建了三维连续的LLTO纳米纤维网络，并在其表面引入均匀的聚多酚涂层，随后通过原位聚合形成聚合物基体，最终得到一体化复合电解质。该结构中，LLTO纳米纤维提供了连续的无机相离子传输路径，而聚多酚层则在无机与有机之间建立了稳固的化学连接(如Ti–N、La–N等相互作用)，有效提升了界面结合强度并减少了界面空隙。聚多酚层还可以促进聚合物电解质的交联网络结构重排，使体系在保持柔性的同时显著提高力学强度(约提升4倍)，从而兼顾离子传输效率与结构稳定性(图2)。

图2. 复合固态电解质的构筑及结构表征。

III 离子传输机制：从界面阻碍到“门控加速”

结合多尺度表征与分子动力学模拟，本工作系统揭示了聚多酚界面对离子传输机制的重构作用 (图3)。在传统LLTO/聚合物复合体系中，由于有机基体与无机相之间存在极大的界面能垒差异，Li⁺易在界面处积累并导致传输受阻，限制整体离子迁移效率。引入聚多酚分子层可以发挥双重作用：一方面，其极性官能团可以显著改变锂盐的溶剂化结构，通过削弱Li+与TFSI−之间的相互作用，促进Li+- TFSI−离子对的解耦，从而提高体系中自由Li+的浓度；另一方面，羰基位点为Li⁺提供了连续的配位路径，降低了其跨相迁移的能垒；而阴离子被有效限制在界面之外，从而构建了有利于Li⁺优先迁移的局部环境。在上述协同作用下，界面由传输阻碍转变为促进离子迁移的功能区域，复合电解质的传输动力学得到显著提升。进一步地，采用二维红外光谱从时间分辨角度揭示了这一过程的动力学本质：引入聚多酚后，与羰基相关的交叉峰快速出现并增强，说明Li⁺在不同配位位点之间的交换明显加快，实现了沿着聚多酚位点快速“接力跳跃”的效果，这是界面离子传输加速的关键机制。

图3. 界面离子选择性传输机制。

IV 电解质-电极界面调控：均匀沉积与稳定界面

分子动力学模拟结果进一步印证了“门控效应”对锂离子的加速作用：在传统体系中，Li⁺在界面处容易滞留；与之相比，在聚多酚界面中，Li⁺沿配位位点形成连续迁移路径，并在界面区域显著富集，传输机制由扩散受限转变为配位跳跃主导。因而，该体系中Li⁺扩散系数显著提高，这种加快的锂离子传输动力学在Li||Li电池的性能评估中表现得尤为突出。未改性的Li||Li在倍率循环中表现出突增的极化电压；在聚多酚分子层存在下，Li||Li电池在0.05-0.2 mA cm⁻²的测试条件下则表现出可逆的锂沉积/剥离行为(图4)。

此外，聚多酚“离子门控”界面对电解质-电极(SEI)层同样发挥着关键作用。在聚多酚修饰体系中，形成了以LiF等无机组分为主的稳定SEI层，有助于提升界面离子传导能力并增强化学稳定性；相比之下，未修饰体系中SEI组成更为复杂且不稳定，易导致界面持续副反应 (图5)。与此同时，弛豫时间分布(DRT)分析进一步解耦了不同循环过程的阻抗贡献。结果显示，聚多酚界面显著降低了电荷转移与界面扩散相关的特征阻抗，并在循环过程中保持稳定，说明界面反应动力学得到有效改善。由此可见，聚多酚“离子门控”不仅优化了电解质内部的离子传输，也通过调控SEI结构与界面动力学，实现了低阻抗电解质–电极界面的稳定化。

图4. 锂金属沉积/剥离稳定性。

图5. 电解质-电解界面化学。

V 电池性能稳定输出：高容量、长循环与安全性兼顾

在全电池的性能评估中，聚多酚“离子门控”效应的引入显著提升了电池的综合性能。在Li||LiFePO₄全电池中，该复合电解质实现了151.6 mAh g⁻¹的高初始放电比容量，并在600次循环后仍保持85.5%的容量保持率，库仑效率稳定在99.5%以上；同时，在高倍率条件下仍具备良好的容量输出能力，表明界面动力学与离子传输性能得到了有效改善。更为重要的是，该电解质在软包电池中同样表现出稳定的工作特性，所组装的软包电池能稳定循环400次(图6)。上述结果表明，聚多酚“离子门控”策略能够在提升电化学性能的同时有效增强界面稳定性与电池安全性，为高性能固态锂金属电池提供了可靠的界面调控思路。

图6. 全电池的电化学性能。

VI 总结

本工作提出了一种基于聚多酚分子的“离子门控”仿生界面策略，在复合固态电解质中实现了跨相离子传输的协同调控。

在结构层面，聚多酚层强化了聚合物与陶瓷之间的化学耦合，提升了界面稳定性与整体力学性能；在界面层面，聚多酚分子通过羰基配位与氢键作用分别促进了Li⁺迁移与抑制了阴离子迁移，从而构建了具有选择性与方向性的离子传输通道；在性能层面，该策略显著提高了离子电导率与迁移数，并在实际电池中实现了高容量、长循环与优异倍率性能的统一。

相较于传统依赖结构调控的复合电解质设计，该工作从分子尺度出发引入离子选择性调控理念，将原本的Li⁺传输受阻界面转化为选择性快速传输的功能化界面，不仅为高性能固态锂金属电池提供了一种简洁高效的解决方案，也为其他涉及跨相离子传输的能源体系提供了新的设计思路。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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