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(chǔ)能技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，現(xiàn)有的固態(tài)電解質(zhì)在離子電導(dǎo)率與機(jī)械性能之間往往面臨著難以調(diào)和的矛盾：無(wú)機(jī)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(lái)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(dǎo)率過(guò)低。

針對(duì)這一痛點(diǎn)，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院和華南理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種仿生復(fù)合電解質(zhì)設(shè)計(jì)策略。該設(shè)計(jì)通過(guò)構(gòu)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(dǎo)與機(jī)械柔性，在無(wú)需施加額外壓力的情況下實(shí)現(xiàn)了高性能的全固態(tài)電池運(yùn)行。

仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與連續(xù)離子通道構(gòu)建

Millennial Lithium

研究靈感來(lái)源于具有高抗疲勞性的天然生物礦物結(jié)構(gòu)（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(dǎo)體，聚環(huán)氧乙烷 (PEO)作為彈性基質(zhì)。與傳統(tǒng)的將無(wú)機(jī)填料隨機(jī)分散在聚合物中的設(shè)計(jì)不同，該團(tuán)隊(duì)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(fù)合電解質(zhì)。

二維 LiMPS 中 Li+ 傳導(dǎo)的各向異性及二維連續(xù)超離子傳輸通道（CSCPs）的構(gòu)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(yuǎn)低于面外遷移能。通過(guò)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(gòu)表征與離子電導(dǎo)率的飛躍

Millennial Lithium

微觀結(jié)構(gòu)表征證實(shí)了設(shè)計(jì)的成功。飛行時(shí)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(gòu)。

PA-LiMPS/PEO 復(fù)合電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)、形貌及基礎(chǔ)電化學(xué)表征

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

電化學(xué)穩(wěn)定性與空氣穩(wěn)定性

Millennial Lithium

除了高電導(dǎo)率，該復(fù)合電解質(zhì)還表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。它具有高達(dá) 5.0 V（vs. Li/Li+）的電化學(xué)窗口，遠(yuǎn)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(fù)合電解質(zhì)的電化學(xué)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(dǎo)率無(wú)明顯衰減。這種特性極大地降低了全固態(tài)電池對(duì)生產(chǎn)環(huán)境極其嚴(yán)苛的要求。

優(yōu)異的全固態(tài)電池性能

Millennial Lithium

該技術(shù)的最大亮點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了“無(wú)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(dá) 92%，平均庫(kù)倫效率為 99.9%。

25°C 下電池的電化學(xué)性能

更為關(guān)鍵的是，研究團(tuán)隊(duì)制備了 Li||LiFePO4 (LFP)軟包電池，并在幾乎無(wú)外壓（<0.1 MPa）的條件下進(jìn)行了測(cè)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(duì)比，極大地推動(dòng)了全固態(tài)電池的實(shí)用化進(jìn)程。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該策略的普適性和經(jīng)濟(jì)性，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了基于錳的PA-LiMnPS / PEO電解質(zhì)。由于錳元素儲(chǔ)量豐富且無(wú)毒，該材料更具規(guī)?；瘧?yīng)用潛力，其室溫離子電導(dǎo)率也達(dá)到了 6.1 mS/cm。

這項(xiàng)工作通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用垂直取向技術(shù)構(gòu)建了連續(xù)的超離子傳輸通道，成功解決了復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中高電導(dǎo)率與良好機(jī)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(xué)窗口以及在無(wú)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(yīng)用提供了一條極具前景的技術(shù)路線。

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