高電壓準固態鋰金屬電池界面調控研究獲新進展

近日，中國科學院東莞材料科學與技術研究所/松山湖材料實驗室研究員劉利峰團隊聯合華南師范大學教授舒東團隊、東莞理工學院教授何運兵團隊，針對高電壓正極與鋰金屬負極對界面性能要求難以兼顧的難題，設計了Janus（雙面）準固態復合電解質（Janus QSCE），通過在正極側和負極側實施差異化的界面調控，實現了兩側界面功能需求的空間解耦，同時保持了連續的Li⁺傳輸通道。相關成果發表于《材料化學雜志A》，并獲選為該期刊封底亮點展示。

論文獲選當期期刊封底亮點展示。研究團隊供圖，下同

鋰金屬負極憑借其極高的理論比容量和極低的電化學電位，與高電壓正極匹配被認為是提升鋰電池比能量的重要途徑。然而，高電壓正極與鋰金屬負極對電解質界面的要求存在顯著差異：正極側需要優異的氧化穩定性和快速的Li⁺輸運能力，負極側則要求能夠調控Li⁺沉積行為、抑制鋰枝晶生長的穩定界面。目前報道的大多數（準）固態電解質仍采用組成和功能相對均一的結構，對兩極界面施加相同或近似的調控策略，因而難以同時滿足高電壓耐受性、鋰金屬界面穩定性和離子傳導性能的綜合需求。

為化解上述矛盾，研究團隊提出了Janus準固態復合電解質設計方案。該體系以Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃ (LATP) 和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分別對常規聚乙烯（PE）隔膜進行雙側界面修飾，形成LATP/PE/PMMA功能隔膜，并以其為支撐骨架，通過原位聚合方法構建出Janus QSCE。與常規對稱型電解質不同，該設計將正極側和負極側的界面功能在空間上分離：在正極側，NASICON型無機電解質LATP對TFSI^-陰離子具有強吸附作用，可促進鋰鹽解離和Li⁺遷移，從而提升高電壓適配性；在負極側，PMMA薄層通過其酯基與Li⁺的強配位效應，調控界面處Li⁺的配位環境，有效穩定鋰金屬在沉積/剝離循環過程中的界面行為。

在原位聚合體系方面，團隊進一步采用聚合誘導相分離策略構建了雙相準固態電解質。該電解質由交聯的P(PEGDA-co-VEC)聚合物網絡和SN-LiTFSI-LiDFOB深共晶相組成：交聯聚合物網絡提供三維結構支撐并限域液相組分，深共晶相則在聚合過程中形成連續的蟲狀離子傳輸域，為Li⁺遷移提供低阻抗通道。研究表明，當聚合物與SN質量比為1∶1時，體系可兼顧結構穩定性與離子輸運性能。

Janus準固態復合電解質的設計演化示意圖。

電化學測試結果顯示，相較于常規對稱設計，LATP/PE/PMMA?QSCE具有更高的鋰離子電導率和遷移數，電化學穩定窗口高達5.68 V（vs. Li/Li⁺）。采用高鎳正極LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）組裝鋰金屬全電池進行驗證，在3.0-4.3 V電壓窗口、0.3 C倍率下，NCM811||LATP/PE/PMMA-QSCE||Li電池循環300次后容量保持率為90%，500次后仍保持70%，平均庫侖效率約99.9%。當充電截止電壓提升至4.6 V時，電池在0.3 C下循環100次后容量保持率為84%。軟包電池測試進一步證實了該Janus設計在器件層面的可行性：NCM811||LATP/PE/PMMA-QSCE||Li軟包電池在45 °C、0.1 C、3.0-4.3 V條件下循環250次后容量保持率為82%，穩定運行時間約5400小時。此外，該軟包電池在彎折、折疊和切割等機械擾動測試中仍能維持穩定的電壓和電流輸出。

該工作從固態電解質空間結構設計出發，借助Janus準固態復合電解質將高電壓正極與鋰金屬負極的界面調控功能分區，在保證連續Li⁺傳輸的同時，分別滿足正極耐高壓和負極界面穩定的差異化需求，有效緩解了傳統均一電解質難以兼顧兩側界面穩定性的固有矛盾，為后續高電壓準固態鋰金屬電池的材料體系優化和制備工藝改進提供了有益的研究經驗。

相關論文信息：https://doi.org/10.1039/D6TA02514E