随着化石能源枯竭与环境问题加剧，高比能储能系统需求迫切。锂硫电池凭借2600 Wh kg⁻¹的理论比能量、硫资源丰富和成本低廉等优势，被视为下一代高比能二次电池的重要方向。然而其商业化仍受三大瓶颈制约： 硫循环中约80%的体积膨胀、电极深层活性硫利用率不足，以及锂多硫化物（LiPS）穿梭效应 。传统液态电解质体系难以从根本上消除LiPS穿梭，而全固态体系虽能规避穿梭效应，却因固-固反应动力学迟缓而倍率性能差、循环稳定性不足。 针对这一矛盾， 西南科技大学 宋英泽 特聘教授 、 四川大学 蔡文龙副研究员 和 清华大学 周光敏研究员 合作 ，提出一种准固态凝胶电极设计： 以N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为引发剂，调控氰基丙烯酸乙酯（ECA）单体的自由基可控释放聚合，形成可加工的聚氰基丙烯酸乙酯（PECA）网络；该网络在电解液浸润后发生二次原位凝胶化，将聚合物骨架、准固态电解质与活性材料集成为一体 。所得凝胶电极兼具液态体系的快速离子传输与固态体系的强LiPS限域能力，可自适应耗散应力、缓冲体积变化，并构建连续离子渗透通道。 基于该电极的扣式电池在2C下初始容量达812.8 mAh g⁻¹，稳定循环超过1000次；1.7 Ah级软包电池在贫电解液条件下实现460.1 Wh kg⁻¹的高比能量，并成功驱动无人机飞行。相关论文以“A Robust Gel Polymer Electrode with Controlled-Release Polymerization towards Practical Lithium-Sulfur Batteries”为题，发表在 Nature Communications上。 可控聚合与凝胶电极构建 ECA是502胶粘剂的核心成分，其氰基与酯基两个吸电子基团使其易于共价聚合形成机械稳健的PECA，且PECA基凝胶电解质具有高达4.8 V的电化学稳定窗口和良好的室温离子电导率。但 ECA对痕量水极为敏感，水引发聚合（PECA-W）在3秒内即完成，产物硬而不均匀，难以用于电池加工 （图1a）。研究团队改用温和亲核引发剂NMP，将聚合时间延长至12分钟，获得柔软、均匀且可加工的PECA-N网络（图1b、1c）。FT-IR谱中1665 cm⁻¹处C=C双键伸缩振动峰在聚合后几乎消失（图1d），¹H NMR谱中乙酯基亚甲基与甲基质子峰积分比与理论值吻合（图1e）， 证实了PECA-N的成功合成 。流变测试显示PECA-N呈粘性流体行为并具有显著剪切变稀特性，有利于浆料涂覆。将PECA-N作为功能粘结剂制备硫电极（S-PECA）后， 电解液注入可使其从干框架原位转变为凝胶架构 （图1f）。低温电镜显示，S-PECA中形成了互连的蜂窝状三维多孔网络，硫活性材料分布均匀（图1g）。原位拉伸实验证实其二次凝胶化后迅速恢复粘弹性（图1h），划痕可在900秒内自愈合。 S-PECA的剥离强度高达5.4 N，远高于传统PVDF粘结剂（0.4 N） ，归因于其致密三维网络对活性颗粒的有效锚定（图1i、1j）。 图1 | PECA的可控释放合成及PECA凝胶电极的制备。 a 水诱导ECA聚合机理。b NMP可控释放诱导ECA聚合机理。c 两种不同触发机制所得产物的比较。d PECA-N、ECA和NMP在30±1.0°C下的FT-IR光谱。e PECA-N、ECA和NMP在30±1.0°C下的NMR光谱。f S-PECA凝胶电极原位构建示意图。g 低温电子显微镜图像。h 原位拉伸实验。i 载荷-位移曲线。j 剥离力曲线。 三维网络结构与离子传输 同步辐射X射线三维纳米CT（图2a）显示， S-PECA中碳/粘结剂域（CBD）框架具有高网络连通性 （图2b、2c）：交联点密度达1.22×10⁻¹¹ mol cm⁻³，交联点间距848.6 nm，单位面积交联节点512个（图2d、2e、2f）；而PVDF基电极分别为0.95×10⁻¹¹ mol cm⁻³、524.4 nm和398个，网络连通性明显较差。 S-PECA中硫颗粒分散更均匀、平均粒径更小，而PVDF电极存在明显硫团聚 。同步辐射小角/超小角X射线散射（图3a-3d）进一步证实，循环前S-PECA的R_g值在SAXS和USAXS区域均小于S-PVDF（图3e、3g、3i、3k）；循环150次后，S-PECA的R_g分别减小6.2和6.9 nm，而S-PVDF仅减小2.8和2.9 nm（图3f、3h、3j、3l）， 表明PECA网络能引导硫颗粒良性动态细化，而PVDF电极中大量非活性硫团聚体无法参与结构重组 （图3m）。 图2 | 30±1.0°C下硫电极中聚合物网络的结构表征。 a SR X射线3D nano-CT设施及3D可视化过程示意图。b 不同旋转角度下含PECA的硫电极材