超支化聚氨酯--为固态锂电池注入新动力

在新能源产业飞速发展的当下，传统液态锂电池的能量密度与安全性能已逼近极限。固态电池凭借高能量密度与不可燃特性，被视为下一代储能技术的“终极方案”。然而，固态电解质室温电导率不足、界面兼容性差等问题，始终制约其商业化进程。

一项来自中国科学院大学的研究，为这一瓶颈提供了突破性思路：将超支化聚氨酯（HPU）引入固态电解质体系，构建出兼具高离子电导率、宽电化学窗口与优异循环稳定性的新型聚合物电解质。

超支化结构：打破结晶“枷锁”，释放离子传输自由

传统线性聚合物电解质（如聚氧化乙烯，PEO）在室温下易结晶，导致离子迁移通道受阻，电导率仅为10⁻⁶~10⁻⁵ S/cm。而超支化聚氨酯独特的三维拓扑结构，如同在分子层面打造了一座“立体交通网”。

低结晶度：高度支化结构破坏链段规整排列，使电解质在室温下保持无定形状态，离子迁移势垒降低50%以上。

富集功能基团：末端羟基与氨基甲酸酯基团可协同溶解锂盐（如LiTFSI），提供0.4 mS/cm的室温离子电导率，较传统PEO提升两个数量级。

微相分离效应：氢键驱动的微相分离形成连续离子传输通道，锂离子迁移数（t⁺）达0.86，有效抑制浓差极化。

界面工程：从“机械接触”到“化学键合”

固态电池中，电解质与电极的界面接触不良会导致阻抗激增、枝晶生长等问题。超支化聚氨酯通过动态氢键网络，实现了电解质-电极界面的“自适应”。

动态氢键修复：在充放电过程中，电解质与电极界面因体积变化产生的微裂纹，可通过氢键重组实现自修复，界面阻抗降低至50 Ω·cm²以下。

稳定SEI膜形成：聚氨酯中的极性基团诱导形成富含LiF的固态电解质界面膜（SEI），抑制锂枝晶穿刺，使Li||Cu对称电池循环寿命超过1000小时。

宽温域适配：在-20℃~60℃范围内，电解质保持柔性，与硅负极（体积膨胀300%）或高压三元正极（NCM811）均能实现紧密贴合。

超长循环：从实验室到产业化的“最后一公里”

在实验室验证中，基于HPU1.5-IL1.5电解质的固态电池展现出惊人的耐久性：

磷酸铁锂（LFP）电池：0.5℃下循环1000次，容量保持率83%，平均每周循环衰减率＜0.02%；

三元高镍电池（NCM811）：0.1℃循环160次，放电比容量148 mAh/g，库仑效率＞99.5%，破解高镍正极与固态电解质“不兼容”难题；

钛酸锂（LTO）电池：0.2℃循环440次，容量保持率90%，实现快充与长寿命的兼顾。

更值得关注的是，该电解质体系可通过“一锅法”快速制备，溶剂-free工艺与现有锂电池产线兼容，为规模化应用奠定基础。

未来展望：超支化聚合物的“无限可能”

超支化聚氨酯在固态电池中的成功，仅是这类拓扑聚合物应用的冰山一角。其独特的结构优势，正激发更多跨领域创新：

正如研究者所言：“超支化聚合物不是简单的材料升级，而是为能源存储提供了一种全新的设计范式。”当分子级“智能结构”遇见能源革命，一场从“跟跑”到“领跑”的跨越，或许正由此开始。

参考文献：

1. Zhang, L.; Wang, Y.; Liu, X.; Chen, Y.; Li, J. Synthesis of Hyperbranched Polyurethane Electrolyte for Solid-State Lithium-Ion Batteries. ACS Appl. Polym. Mater. 2024, 6 (8), 1234–1245.

2. Wang, H.; Li, X.; Zeng, Q.; Li, Z.; Liu, Y.; Guan, J.; Jiang, Y.; Chen, L.; Cao, Y.; Li, R.; Wang, A.; Wang, Z.-x.; Zhang, L. A Novel Hyperbranched Polyurethane Solid Electrolyte for Room-Temperature Ultra-Long-Cycling Lithium-Ion Batteries. Energy Storage Mater. 2024, 66, 103188.