随着“碳达峰，碳中和”成为全球共识，储能产业的市场发展潜力巨大，亟需发展具有高比能的下一代电池技术。以锂金属作为负极的锂金属电池因其高能量密度优势，成为最有希望的候选者。然而，由于商用有机电解质具有挥发性和易燃性的特征，电池运行过程中极易引发一系列安全问题。本团队前期研究证明利用高机械强度和安全性的固态电解质替代液态电解质，可以有效避免不可逆的电解液分解和负极锂枝晶生长，从而提高电池的安全性和循环寿命（Nature 2021, 592, 551-557、J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 5718-5729、Chem 2023, 9, 394-410、Matter 2023, 6, 142-157、Nat Commun. 2020 11 2191、Adv. Mater. 2020, 32, 2002559）。因此，探索兼具高离子电导率、高电化学稳定性、高机械强度、高界面加工性和低成本的新型固态电解质材料，是锂金属电池研究的重要发展方向，且面临严峻的挑战。

近日，吉林大学徐吉静教授课题组利用具有高度刚性和扭曲主干结构的玻璃态自聚微孔的梯形聚合物（PIMs），并对其进行酰胺肟官能团改性得到了一种新型固态电解质（Li⁺-exchanged amidoxime-functionalized PIM-1, AO-PIM-1-Li）。AO-PIM-1-Li固态电解质由于具有优异的尺寸筛分能力、溶液加工性能和柔韧性，展现出高的离子电导率、高电化学稳定性、高环境适应性以及优异的机械稳定性。该工作使用PIMs固态电解质实现了固态锂金属电池和固态锂空气电池的高能量密度、高循环稳定性和高安全性，其中固态锂空气电池展现出11307 mAh g⁻¹的超高放电容量和247次的长循环寿命。该工作为发展下一代低成本高安全的固态电池技术提供了新思路。

作者通过分子动力学模拟证明了PIMs的高自由体积分数，可以使自由体积元素有效地互连为筛分分子和离子的筛子，从而调控阴离子和阳离子在结构中的传输。氮气等温线表明AO基团修饰导致聚合物的BET比表面积从684 m² g⁻¹（PIM-1）降至334 m² g⁻¹（AO-PIM-1），氢键相互作用导致了更紧密的链堆积和更多的超微孔，同时保留了较高的微孔体积。静电式分布计算结果表明，AO基团修饰导致局部电场发生改变，具有较高正电性的AO基团更有利于对锂盐阴离子的吸附，使结构中产生更多的自由锂离子。理论计算结果显示锂离子与AO-PIM-1具有更高的结合能，表明AO-PIM-1具有更高的锂离子传导能力。

根据PIM-1和AO-PIM-1在有机溶剂中的不同极性，通过溶液浇铸方法和溶剂交换反应制备了PIM-1-Li和AO-PIM-1-Li固态电解质膜。通过变温电化学阻抗谱、固体核磁以及分子动力学模拟等方法，验证了AO-PIM-1-Li优异的离子传输能力（离子电导率1.06×10⁻³ S cm⁻¹；活化能0.19 eV；锂离子迁移数0.78），并且通过优化设计PIMs的骨架结构，能够调控锂离子在分子孔道中的传输速率（图二）。以上理论与实验均证明了PIMs具有优异的离子传导特性。此外，对PIM-1-Li和AO-PIM-1-Li固态电解质膜进行了一系列的化学、电化学以及机械性能测试，结果表明PIM-1-Li和AO-PIM-1-Li固态电解质膜均具有较高的化学稳定性、电化学稳定、热稳定性和力学强度。

综上，该工作创制了具有高离子电导率、优异电化学稳定性、化学稳定性和机械稳定性PIMs固态电解质，深入探究了PIMs中锂离子的输运机制，基于此构筑了高安全长寿命的固态锂金属电池和锂空气电池。该工作在材料设计和电池集成方面均具有明确的创新性，为发展下一代高性能固态电池技术提供了新思路。