近年来，“智慧管网”巡检机器人、海底管道监测器等智能管道安全监测设备被大规模应用于石化行业。据统计，2024年全球上述智能设备的市场规模已达47亿美元。该类设备的制造成本中动力电源（锂离子电池）占比超过35%，为该类设备的“心脏”。然而，传统液态锂电池难以满足工作环境温差大、安全等级高等石化行业应用场景。因此，开发石化行业用特种固态锂电池意义重大。目前，已实现小规模商用的聚醚（PEO）类固态电解质，其电化学稳定窗口通常在3.6 V (vs. Li⁺/Li)，与高电压正极材料耦合使用时会导致其在正极界面持续分解，引发严重的界面副反应和容量衰减，极大地限制了石化行业用固态锂电池的工作电压与能量密度。因此，开发兼具宽电化学窗口、高离子电导率及优异界面相容性的新型固态电解质体系，是推动该领域固态电池走向实用化的核心挑战。

近期，中国石油大学（北京）黄国勇教授和叶海木教授团队针对上述问题提出了结构可调性与环境友好特性的聚酯材料替代方案。通过系统性调控柔性段（二醇）和配位段（二酸）的碳链长度，并在聚合物主链特定位置引入氟原子，成功合成了18种不同结构的聚酯电解质，深入揭示了聚酯结构与离子电导率、电化学窗口等关键性能之间的构效关系。该工作不仅为聚酯基电解质的设计提供了系统蓝本，攻克了传统聚合物电解质电化学稳定性差的瓶颈，更创新性地构建了溶剂基闭环回收体系，为实现高性能、可持续的固态锂金属电池提供了全新的解决方案与技术路径。

研究发现，氟原子引入位置决定性能差异，配位段氟化可破坏分子链堆积、降低结晶度，为锂离子提供更多传输通道，其室温离子电导率达 1.15×10–4 S·cm–1（为PEO的100倍），电化学稳定窗口扩展至4.75V（比PEO高1 V）；柔性段氟化则优化配位环境，使锂离子迁移数最高达0.65（为PEO的3倍）。聚酯的“碳链奇偶效应”不仅影响聚酯本身理化特征，还对聚酯与Li+的配位结构与配位强度具有深远影响。聚酯重复单元“奇-偶”或“偶-奇”碳链组合因结构对称性差、堆积不规则，导致聚酯结晶度降低，进一步提升聚酯电解质的离子传输效率。此外，奇数碳链通过形成顺式构象，使羰基空间排列优化，显著增强了与Li+的协同配位作用，而偶数碳链则呈现反式构象，导致羰基取向分离，削弱了与Li+配位能力。这种由链长奇偶性主导的构象差异，直接决定了聚酯电解质中锂离子传输效率的周期性振荡规律。

图1 聚酯结构对聚酯电解质的影响。（a）氟化对结晶度的影响示意图；（b）不同聚酯结构对离子传输的影响；（c）不同聚酯结构对锂离子配位能的变化。

针对锂枝晶与界面不稳定难题，氟化聚酯同样展现出独特优势。充放电过程中，氟化聚酯能在锂金属负极界面诱导形成富含LiF的稳定固态电解质界面膜。该层兼具电子绝缘性与锂离子传导性，可引导锂离子均匀沉积、抑制枝晶生长。对比实验显示，氟化聚酯电解质组装的锂对称电池可稳定循环超1000小时，而非氟化体系仅63小时即短路失效。鉴于氟化单体高昂的成本以及氟化聚酯直接废弃带来的环境压力，特别是“双碳”背景下锂电池可持续性的发展要求，该研究还开发了一种绿色的溶剂法回收策略，用于从废旧电池中高效回收氟化聚酯和锂盐，回收率分别可达91.2%和87.8%。生命周期评估表明，该回收过程可显著降低71.4%的CO2排放和52.9%的SO2排放，兼具经济性和环境效益，为氟化聚酯电解质的闭环回收和可持续发展提供了可行路径。

本研究不仅在分子结构调控、电解质界面化学与电池回收利用等方面提出了系统性方法论，也为高能量密度、环境友好的固态锂金属电池发展提供了新的材料体系和理论支持，推动了新一代高性能、高安全与环境友好型储能器件的发展，并有望推动智能钻井与随钻测量系统、井下生产监测与控制系统、深海与海上平台设备等石油行业特种固态锂电池的产业应用。

图2 氟化聚酯电解质的界面优化及回收。（a）含氟聚酯对SEI和锂枝晶形成的影响；（b）氟化聚酯的电子定域化函数分析；（c）采用氟化聚酯电解质的Li||Li对称电池的循环性能；（d）氟化聚酯电解质回收过程和生产过程的生命周期评估。两者生产过程中（e）CO2与（f）SO2排放量比较

相关研究成果以“固态锂金属电池用界面稳定性增强和结构可调的可回收氟化聚酯电解质”（Structure-Tunable Fluorinated Polyester Electrolytes with Enhanced Interfacial Stability for Recyclable Solid-State Lithium Metal Batteries）为题，于2025年9月7日发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。

中国石油大学（北京）新能源与材料学院戴鑫柯博士研究生、叶海木教授为本论文的共同第一作者，黄国勇教授、加拿大阿尔伯塔大学Li Ge教授为论文的共同通讯作者，中国石油大学（北京）为第一完成单位。研究得到了国家自然科学基金、加拿大自然科学与工程研究理事会、中国国家留学基金等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202511556