具有大离子电导率、高离子迁移数和与电极良好界面相容性的固态聚合物电解质是固态电池非常需要的。然而，在传统双离子聚合物导体中发生的不需要的极化和副反应阻碍了它们的实际应用。
清华大学李亮亮等通过精确调节Li+和羰基/氰基之间的离子偶极相互作用，制备了对锂离子传导具有特殊选择性（锂离子转移数高达0.93）的单离子聚合物导体（SIPCs），其室温离子传导率约为10-4 S cm-1，并且具有宽的电化学稳定性窗口（>4.5 V，相对于Li/Li+）。
图1. 材料制备及表征
具体而言，作者合成了一种基于碳酸乙烯酯（VEC）和3-磺酰（三氟甲磺酰）亚胺丙基甲基丙烯酸锂（MASTFSILi）共聚物的新型SIPC，它是通过微量丁二腈（SN）增塑。具有不饱和C=C键的VEC单体可以通过加热或光辐射轻松聚合，而MASTFSILi中的多离子结构类似于双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI），在负电荷上具有很大程度的脱域性，这增强了Li+解离。
此外，VEC和SN可以分别对电解质系统产生-C=O…Li+和-C≡N…Li+的离子偶极相互作用；VEC和SN的高介电常数也有利于锂盐的溶解，有助于提高离子导电率。另一方面，加入微量SN可以增加SIPC的氧化耐受性。此外，为提高SIPC膜的机械性能，还使用了聚偏氟乙烯(PVDF)，因为它具有良好的柔性和高化学/电化学/热稳定性。因此，SIPC表现出独特的单离子导电行为，这源于锂离子从MASTFSILi中聚合的-SO2N(-)SO2CF3基团中有效解离，以及对-C=O…Li+和-C≡N…Li+离子-偶极相互作用的精确调节。
图2. SIPC的电化学性质
因此，获得了一种在室温下具有高离子电导率（2.90×10-5-1.72×10-4 S cm-1）、大TLi+数（0.82-0.93）和宽电化学窗口（> 4.5 V，vs. Li/Li+）的柔性和自支撑聚合物电解质膜。结果，在26和60℃的长期循环过程中，SIPC显示出与金属锂良好的电化学稳定性。基于SIPC的锂金属电池在20-90℃的宽温度范围内显示出小的电压极化和稳定的长期循环性能。此外，作者也采用同样的方法获得了具有高阳离子转移数和高离子电导率的Na+和K+基SIPC。这项工作的发现为开发高性能的SIPC和锂离子以外的其他金属离子体系提供了指导。
图3. LFP基锂电池的循环性能
Ion-Dipole Interaction Regulation Enables High-Performance Single Ion Polymer Conductors for Solid-State Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202202143