全固態(tài)鋰電池因其高安全性和高能量密度的潛力，被視為下一代儲能技術的有力競爭者。然而，現(xiàn)有的固態(tài)電解質(zhì)在離子電導率與機械性能之間往往面臨著難以調(diào)和的矛盾：無機固態(tài)電解質(zhì)雖然離子傳輸快，但界面接觸差，通常需要施加巨大的堆疊壓力（數(shù)兆帕至數(shù)百兆帕）來維持離子通路；聚合物電解質(zhì)雖然柔韌性好，但室溫離子電導率過低。

針對這一痛點，來自中國科學院深圳先進技術研究院和華南理工大學的研究團隊提出了一種仿生復合電解質(zhì)設計策略。該設計通過構建交替排列的垂直取向（PA）硫化物納米片層和聚合物層，成功解耦了離子傳導與機械柔性，在無需施加額外壓力的情況下實現(xiàn)了高性能的全固態(tài)電池運行。

仿生結(jié)構設計與連續(xù)離子通道構建

Millennial Lithium

研究靈感來源于具有高抗疲勞性的天然生物礦物結(jié)構（如褶紋冠蚌的鉸鏈）。研究人員利用二維硫化物LiCdPS納米片作為超離子導體，聚環(huán)氧乙烷 (PEO)作為彈性基質(zhì)。與傳統(tǒng)的將無機填料隨機分散在聚合物中的設計不同，該團隊采用流延-層壓-切割工藝，制備了具有連續(xù)超離子傳輸通道 (CSCPs)的 PA-LiCdPS/PEO 復合電解質(zhì)。

二維 LiMPS 中 Li+ 傳導的各向異性及二維連續(xù)超離子傳輸通道（CSCPs）的構建

如圖所示，二維 LiMPS 材料具有顯著的各向異性，其面內(nèi) Li+ 遷移能（0.17 eV）遠低于面外遷移能。通過將納米片垂直于電極取向排列，鋰離子可以直接沿低阻抗的面內(nèi)路徑傳輸，避免了在聚合物基體中頻繁穿越的高迂曲度路徑。

結(jié)構表征與離子電導率的飛躍

Millennial Lithium

微觀結(jié)構表征證實了設計的成功。飛行時間二次離子質(zhì)譜 (TOF-SIMS)和廣角X射線散射 (WAXS)結(jié)果顯示，PA-LiCdPS/PEO 電解質(zhì)內(nèi)部形成了高度有序的層狀結(jié)構。

PA-LiMPS/PEO 復合電解質(zhì)的結(jié)構、形貌及基礎電化學表征

得益于這種獨特的架構，PA-LiCdPS/PEO 電解質(zhì)在 25°C 下的離子電導率高達10.2 mS/cm，這一數(shù)值比隨機取向的復合電解質(zhì)高出三個數(shù)量級，甚至可與液態(tài)電解質(zhì)媲美。同時，PEO 層提供了優(yōu)異的機械柔性，使其能夠適應電極在循環(huán)過程中的體積變化，保持緊密的固-固界面接觸。

電化學穩(wěn)定性與空氣穩(wěn)定性

Millennial Lithium

除了高電導率，該復合電解質(zhì)還表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。它具有高達 5.0 V（vs. Li/Li+）的電化學窗口，遠超純 PEO 電解質(zhì)。更重要的是，相比于傳統(tǒng)的硫化物電解質(zhì)（如 LGPS, Li6PS5Cl）在空氣中極易水解產(chǎn)生有毒的 H2S 氣體，LiCdPS 和 LiMnPS 材料表現(xiàn)出卓越的空氣穩(wěn)定性。

含 LiTFSI 鹽的 PA-LiCdPS/PEO 和 RA-LiCdPS/PEO 復合電解質(zhì)的電化學表征

上圖展示了該電解質(zhì)在潮濕空氣中暴露 7 天后，釋放的 H2S 極低，且電導率無明顯衰減。這種特性極大地降低了全固態(tài)電池對生產(chǎn)環(huán)境極其嚴苛的要求。

優(yōu)異的全固態(tài)電池性能

Millennial Lithium

該技術的最大亮點在于實現(xiàn)了“無外壓”條件下的穩(wěn)定循環(huán)。在堆疊壓力小于 0.5 MPa 的條件下，組裝的 Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) 扣式電池在 0.2 mA/cm2 下循環(huán) 600 次后，容量保持率高達 92%，平均庫倫效率為 99.9%。

25°C 下電池的電化學性能

更為關鍵的是，研究團隊制備了 Li||LiFePO4 (LFP)軟包電池，并在幾乎無外壓（<0.1 MPa）的條件下進行了測試。電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性（200次循環(huán)后容量保持率89%）。這與通常需要數(shù)十兆帕壓力的硫化物全固態(tài)電池形成了鮮明對比，極大地推動了全固態(tài)電池的實用化進程。

為了進一步驗證該策略的普適性和經(jīng)濟性，研究團隊還開發(fā)了基于錳的PA-LiMnPS / PEO電解質(zhì)。由于錳元素儲量豐富且無毒，該材料更具規(guī)?；瘧脻摿?，其室溫離子電導率也達到了 6.1 mS/cm。

這項工作通過巧妙的結(jié)構設計，利用垂直取向技術構建了連續(xù)的超離子傳輸通道，成功解決了復合固態(tài)電解質(zhì)中高電導率與良好機械性能不可兼得的難題。其優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性、寬電化學窗口以及在無外壓條件下的出色表現(xiàn)，為高能量密度、高安全性的全固態(tài)鋰電池商業(yè)化應用提供了一條極具前景的技術路線。

原文參考：Superionic composite electrolytes with continuously perpendicular-aligned pathways for pressure-less all-solid-state lithium batteries