近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室刘利峰研究员团队联合华南师范大学舒东教授、东莞理工学院何运兵教授团队，在高电压准固态锂金属电池界面调控方面取得研究进展。研究团队针对高电压正极与锂金属负极界面需求难以兼顾的问题，构建Janus准固态复合电解质，通过正负极两侧差异化界面调控，实现高电压正极与锂金属负极界面需求的空间解耦，同时维持连续的Li⁺传输。相关成果以“Janus quasi-solid composite electrolytes enabling cathode/anode interfacial decoupling for high-voltage lithium metal batteries”为题发表于《Journal of Materials Chemistry A》，并获选期刊封底（back cover）作为亮点展示（图1）。
图1. 论文被选为封底（back cover）作为亮点展示
锂金属负极具有高理论比容量和低电化学电位，与高电压正极匹配是提升金属锂电池比能量的重要路线之一。然而，高电压正极与锂金属负极对电解质界面的要求存在明显差异：正极侧需要较高的氧化稳定性和快速的Li⁺传输，负极侧则需要能够调节Li⁺沉积行为并抑制枝晶生长的稳定界面。目前报道的多数（准）固态电解质仍采用组成和功能相对均一的结构，对两侧界面进行相同或近似的调控，因此往往难以同时兼顾高电压耐受性、锂金属界面稳定性和离子输运的要求。
针对上述矛盾，研究团队提出Janus准固态复合电解质（Janus quasi-solid composite electrolyte，Janus QSCE）设计。该体系以Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 双侧界面修饰的LATP/PE/PMMA功能隔膜替代常规聚乙烯(PE) 隔膜作为支撑骨架，利用原位聚合方法构建了LATP/PE/PMMA-QSCE Janus准固态复合电解质（图2）。与界面对称电解质不同，该设计将高电压正极侧和锂金属负极侧的界面功能在空间上进行分离：正极界面侧，NASICON型无机电解质LATP对TFSI⁻的强吸附促进了锂盐解离与锂离子迁移，提升了高电压适配性；锂金属负极界面侧，PMMA薄层通过其酯基与Li+的强配位效应调节界面处Li+配位环境，进而实现沉积剥离循环下锂金属界面的稳定。
图2. Janus准固态复合电解质的设计演化示意图：从PE支撑准固态复合电解质，经正极侧LATP功能化，进一步构建LATP/PE/PMMA非对称Janus结构
在原位聚合体系方面，研究团队进一步采用聚合诱导相分离策略构筑双相准固态电解质。该电解质由交联P(PEGDA-co-VEC)聚合物网络和SN-LiTFSI-LiDFOB深共晶相组成：交联聚合物网络提供三维结构支撑并限域液相组分，深共晶相在聚合过程中形成连续的虫状离子传输域，为Li⁺迁移提供低阻通道（图3）。研究表明，在聚合物与SN质量比为1:1时，体系能够兼顾结构稳定性和离子输运性能。
图3. Janus隔膜及双相深共熔准固态电解质的结构与界面表征
电化学测试表明，相比于常规的对称设计，LATP/PE/PMMA-QSCE表现出增强的锂离子电导率与迁移数，电化学稳定窗口高达5.68 V（vs. Li/Li⁺）（图4）。进一步采用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）高镍正极组装锂金属全电池进行验证。在3.0–4.3 V电压窗口、0.3 C条件下，NCM811||LATP/PE/PMMA-QSCE||Li电池循环300次后的容量保持率为90%，500次后仍保持70%，平均库仑效率约为99.9%。当充电截止电压提高至4.6 V时，电池在0.3 C条件下循环100次后的容量保持率为84%。进一步的软包电池测试验证了Janus准固态复合电解质设计在器件层面的应用可行性：NCM811||LATP/PE/PMMA-QSCE||Li软包电池在45 ℃、0.1 C和3.0–4.3 V条件下循环250次后容量保持率为82%，稳定运行时间约为5400 h。此外，样品在弯折、折叠和切割等机械扰动测试中仍可维持稳定的电压和电流输出。
图4. Janus QSCE的高电压NCM811||Li全电池性能及软包电池验证
该工作从固态电解质空间结构设计出发，通过Janus准固态复合电解质将高电压正极与锂金属负极的界面调控功能进行空间分区，在维持连续Li⁺传输的同时，分别满足正极耐高电压和负极稳定锂金属界面的差异化需求，从而缓解传统均一电解质难以兼顾两侧界面稳定性的固有矛盾，为后续进一步优化高电压准固态锂金属电池的材料体系和制备工艺提供了研究经验。
该研究由中国科学院东莞材料所、松山湖材料实验室、华南师范大学和东莞理工学院合作完成。卢景城、胡淑岚和单鹏悦为论文共同第一作者；东莞材料所/松山湖材料实验室张伟财助理研究员、华南师范大学舒东教授、东莞理工学院何运兵教授和东莞材料所/松山湖材料实验室刘利峰研究员为论文共同通讯作者。该工作得到科技部海外高层次人才引进计划、松山湖材料实验室启动经费、华南师范大学与天赐材料能源材料化学联合实验室开放基金、广东省高校创新团队项目、中国博士后科学基金以及广东省基础与应用基础研究基金等项目支持。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D6TA02514E
来源：新能源材料研究部
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