【研究背景】

锂离子电池作为一种重要的储能器件已被广泛应用于各种便携式电子设备、智能穿戴设备、电动汽车以及大型电网储能等领域。由于锂离子电池的普及和成功应用，2019年诺贝尔化学奖颁给了John B. Goodenough教授、M. Stanley Whittingham教授和Akira Yoshino教授，以表彰他们在锂离子电池发展方面所作出的杰出贡献。随着人们日益提高的生活水平和工业技术的迅速发展，诸多领域对锂离子电池的安全性、能量密度以及环境适用性提出了更高的要求。锂金属负极由于高理论容量（3860mAh/g）和低标准电极电势（-3.04V）被誉为下一代锂电池电极的‘圣杯’，但是目前商用的液态电解液很难匹配锂金属负极的高化学活性，由此引发的电池寿命短和安全性差等问题严重制约了锂金属电池的发展。

固态电解质（SSE）由于其合适的离子电导率、优异的电化学稳定性和机械稳定性被认为是匹配锂金属负极、构筑高能量密度电池的有力候选者。但由于固态电解质与电极之间存在着棘手的固-固界面（物理接触、电化学稳定）问题，导致所构筑的固态电池体系在容量表达、循环稳定性以及复杂服役环境中的表现并不理想。

【工作介绍】

相较于单纯的无机固态电解质和聚合物电解质体系而言，复合固态电解质在一定程度上兼顾了无机固态电解质优良的电化学稳定性、聚合物电解质的柔性和灵活的加工特性，进而使得电解质的综合性能有了显著的提升。近日，东华大学王宏志课题组等人构筑了一种具有双层异质结构的复合固态电解质，其室温下离子电导率为2×10-4S/cm，同时具有高的锂离子迁移数（0.62）和耐氧化电位（4.92V）。由于固态基体优良的电化学稳定性和功能凝胶层对界面优异的兼容性和合理调控，基于该复合固态电解质所构筑的Li（1.91cm2）/Li对称电池在0.25mA/cm2的电流密度下实现了超过1700小时的稳定循环，所组装的LiCoO2（LiFeO4）/Li电池在室温下实现了高的容量输出和优异的循环稳定性。聚合物基体的不燃性、凝胶中的阻燃添加剂（阻燃）和无机填料的热稳定性（隔热）进一步赋予了复合固态电解质良好的极端温度适用性，进而使利用该电解质所组装的软包电池展现出极佳的使用安全性和极端环境耐用性。该文章发表在国际著名期刊Advanced Energy Materials上。博士生孙健其为本文第一作者。

【内容表述】

为了提高聚合物电解质的离子传导特性和整体的电化学稳定性，首先通过静电纺丝技术和合理的煅烧制度制备了具有高长径比的一维石榴石（Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12，LLZN）纳米线，并将其作为填料引入至PVDF-HFP/LiTFSI体系中得到力学性能、电化学性能优良的复合固态电解质（PLSE）；其次对PSLE进行表面改性后作为基体，通过刮涂的方法将含有MOF（微米-纳米复合尺度的HKUST-1）的复合凝胶层置于其表面；最后在手套箱内烘干即得双层异质结构的复合固态电解质（PMLSE），如图1a,b所示。基于复合正极材料（PEO/锂盐改性的正极）和复合凝胶层，固态电池内部的固-固界面实现了软接触。PVDF-HFP/LLZN纳米线固态电解质基体可以很好地兼容高压正极，复合凝胶层中的高浓度锂盐和MOF所具有的天然孔道促进了电解质-电极界面层（SEI）的快速稳定形成，诱导了界面处锂离子的均匀沉积（图1c，d）。由于两种功能无机材料的协同效应，作为对比，PMLSE相较于PVDF-HFP/LiTFSI（SPE）聚合物电解质、PLSE以及PVDF-HFP/MOF（PMSE）两种复合固态电解质在锂离子传输效率（电导率和锂离子迁移数）上有了明显提升（图1e-g）。

图1. 双层异质结构复合固态电解质的实物图、设计原理、内部结构以及本征电化学性能

通过对比使用不同种类固态电解质所组装的Li/Li对称电池的循环性能，功能性无机填料的加入可以明显地提升聚合物固态电解质的电化学稳定性。但对于长期的循环稳定性而言，由于PMSE机械性能的不足导致了Li/Li对称电池最终还是出现了短路的现象，使用力学性能更为优异的PLSE所组装的电池同样也出现了过度极化的失效机制，这意味着复合凝胶层在改善PLSE的界面电化学稳定性方面有着明显的作用。拆解观察循环后锂金属的形貌可以看出使用PMLSE双层电解质的对称电池中的锂金属负极表面更为致密平整（图2）。通过XPS分析可以得知，PMLSE电解质相较于SPE而言，更加有利于促进以LiF和有机-无机硫化物为主导成分的SEI层的形成。

图2. 基于不同电解质的Li/Li对称电池循环后的锂金属形貌图以及XPS成分分析

为了进一步探究PLSE的失效机制（相较于PMLSE），基于有限元分析，我们利用COMSOL对使用两种电解质电池中的多物理场进行了模拟（图3）。当PLSE作为固态电解质时，聚合物成分仍旧是离子传导的主体，尽管固态电解质有很高的体离子电导率，但在界面处的固-固传质过程仍存在巨大的势垒，这会导致界面处极易出现离子浓差极化以及离子的不均匀沉积，由此所引发的过高的极化电压会导致电池内部电势失衡，最终使得电池失效。在引入含有MOF的高离子导复合凝胶层后，界面离子传输势垒减小，同时MOF的孔道会调控离子束流高效的均匀沉积，实现电势的均匀分布，而均匀分布的电势又会进一步诱导锂离子的均匀沉积，最终在界面处和电池内部整体实现良性的循环，保证电池的稳定循环。

图3. 对称电池的COMSOL多物理场模拟

精心设计的具有双层异质结构的复合固态电解质相较于聚合物/无机复合固态电解质更有利于在界面处实现化学-电化学的双平衡，由此所组装的LiCoO2（LiFeO4）/Li电池在室温下表现出优异的倍率性能和循环稳定性（图4）。固态电池内部各组分界面的软接触保证了电解质与电极之间的长期有效接触，进而保证了软包电池在连续弯折后仍能稳定地输出容量（图5a-c）。

图4. LiCoO2（LiFeO4）/PMLSE/Li电池的倍率性能和循环稳定性

图5. LiCoO2/PMLSE/Li软包电池的柔性应用和安全评估

双层异质复合固态电解质的使用极大地改善了电池的使用安全性，在经历如钉穿、对折以及剪切等滥用性实验后电池未发生过热、燃烧等情况且仍能为用电器件进行供能（图5d,e）。得益于聚合物基质的不燃性、凝胶中的阻燃添加剂以及无机材料优良的热稳定性，使用双层异质复合固态电解质所组装的软包电池展现出良好的高温安全性、水下短路稳定性以及极端低温（液氮）环境中的耐受性（图6）。

图6.LiCoO2/PMLSE/Li软包电池的极端环境耐用性

【结论】

在聚合物/无机复合固态电解质的基础上，针对其固-固界面问题进一步构筑了具有双层异质结构的复合固态电解质。该电解质整体具有较高的离子电导率（室温）和优良的本征电化学性能，PVDF-HFP/LLZN复合固态电解质基体具有良好的力学性能和电化学稳定性，可以很好地兼容高压正极，MOF功能复合凝胶层的引入促进了电解质/锂金属界面处的化学-电化学双平衡，进而保证了电池长期的循环稳定性和综合电化学性能的提升。此外，聚合物基体的不燃性、凝胶中的阻燃添加剂（阻燃）以及无机填料的热稳定性（隔热）赋予了复合固态电解质良好的极端温度适用性，使用该电解质所组装的软包电池展现出极佳的使用安全性和极端环境耐用性。

Jianqi Sun, Xiangming Yao, Yaogang Li, Qinghong Zhang, Chengyi Hou, Qiuwei Shi,* and Hongzhi Wang*, Facilitating Interfacial Stability Via Bilayer Heterostructure Solid Electrolyte Toward High-energy, Safe and Adaptable Lithium Batteries, Adv. Energy Mater., 2020, DOI:10.1002/aenm.202000709