全固态锂电池采用不可燃固体电解质替代传统液态电解质，有望显著提升电池安全性和能量密度。然而，固体电解质长期面临离子电导率与机械柔韧性之间的权衡难题，无机固态电解质（如硫化物Li10GeP2S12）虽具备高达10-100 mS cm-1的室温离子电导率，但其刚性结构需施加数百MPa的外部压力维持电极接触，严重限制了电池能量密度和实用性。

　　聚合物电解质（如PEO）虽能通过链段运动确保界面接触，但室温电导率仅约10-3 mS cm-1，无法满足高功率需求。复合电解质试图整合二者优势，然而随机分散的无机填料会形成曲折的离子路径，导致室温电导率普遍低于1.0 mS cm-1，且高填料含量会牺牲机械柔性。这一矛盾的核心在于离子传导与力学性能的耦合效应，因此，开发能够同时提供连续超离子传导路径和本征柔性的新型电解质结构迫在眉睫。

　　近日，中科院深圳先进院成会明院士，彭晶研究员，华南理工大学胡仁宗教授在《Nature Nanotechnology》发表工作，提出一种仿生垂直排列连续超离子通道（CSCPs）的复合电解质设计。作者以二维超离子导体LixMyPS3（M = Cd, Mn）为基元，通过交替堆叠垂直排列（PA）的LiMPS层与柔性聚合物（如PEO），构建了兼具高电导率和机械柔性的电解质体系。其中，PA-LiCdPS/PEO电解质室温离子电导率达10.2 mS cm-1，接近液态电解液水平，而PA-LiMnPS/PEO也达到6.1 mS cm-1，较传统随机分布（RA）结构提升三个数量级。力学测试表明，该电解质拉伸应变可达167%–330%，模量低至0.5–2.2 GPa，媲美聚合物。在无外部压力（0.1 MPa）条件下，LiLiFePO4软包电池循环200次后容量保持率高达89%，LiLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2纽扣电池在0.2 mA cm-2下600次循环后容量保持率达92%，库仑效率稳定在99.9%。此外，材料展现优异空气稳定性，暴露潮湿环境7天后电导率保持率96%，H2S释放量可忽略（1.5×10-9 ppm），远超传统硫化物电解质（耐久时间仅数分钟）。

　　作者通过密度泛函理论计算揭示了Li+在二维LiMPS层内的迁移能垒（0.17 eV）显著低于层间（0.38 eV），导致其面内电导率高达120 mS cm-1（LiCdPS）和90 mS cm-1（LiMnPS），而面间电导率仅约10-3 mS cm-1。这一各向异性特性使得随机分布的LiMPS纳米片在聚合物中形成不连续离子通道（图1b），而垂直排列结构（图1c）可构建贯穿电解质的连续超离子通道。受蛤蜊贝壳连接部位（“铰链”）和特殊结构（“文石纳米线”）的启发，该部位通过坚硬纳米材料与弹性基质的交替排列，实现了高强度与高韧性的完美结合，作者设计PA-LiMPS层提供快速Li+传导路径，PEO层则通过醚键和羟基的粘附性吸收循环应力，将垂直应力转化为横向变形，从而实现力学柔性与离子传导的解耦。

　　图1. 二维LiMPS中锂离子传导的各向异性及二维层状复合固体电解质的构建。

　　通过三维飞行时间二次离子质谱和广角X射线散射（WAXS）分析，PA-LiCdPS/PEO电解质中LiCdPS纳米片呈现垂直有序排列（Hermans因子-0.35），而RA结构则无取向性（图2a-d）。扫描电镜显示PA层由单层或寡层纳米片（厚度~2nm）紧密堆叠，层厚约15 μm，PEO层通过LiTFSI锂盐破坏结晶性，增强界面粘附（图2e-h）。电化学阻抗谱测试表明，PA结构将室温电导率提升至10.2 mS cm-1（LiCdPS体系）和6.1 mS cm-1（LiMnPS体系），较RA结构（9.6×10-3 mS cm-1和5.1×10-3 mS cm-1）提高三个数量级（图2i-j）。力学性能上，电解质拉伸应变达167%–330%，模量低至0.5 GPa（PEO层）和2.2 GPa（PA层），可实现180°弯曲而无裂纹。

　　图2. PA-LiMPS/PEO复合电解质的结构、形貌及基本电化学特性表征。

　　Arrhenius曲线显示PA-LiCdPS/PEO在-60–60°C范围内电导率均优于RA结构，活化能仅0.24 eV（RA为0.81 eV），且在0°C和-30°C仍保持1.8 mS cm-1和0.4 mS cm-1的电导率（图3a）。与代表性电解质对比（图3b），其室温电导率与液态电解液相当，且线性扫描伏安法测试显示电化学窗口达5.0 V（vs. Li/Li+），优于RA结构（图3c）。对称LiLi电池在0.5 mA cm-2下稳定循环1500小时，极化电压低至18 mV，临界电流密度达5.0 mA cm-2（图3d-e）。空气稳定性测试中，PA-LiMPS/PEO电解质在潮湿环境（30-40%湿度）暴露7天后，电导率仅从10.2 mS cm-1降至9.8 mS cm-1，H2S释放浓度低于10 ppm的职业接触最高允许值，而传统硫化物电解质（如Li3PS4）耐久时间仅数分钟（图3f）。

　　通过6Li/7Li同位素示踪实验，作者组装对称6Li6Li电池循环后，利用TOF-SIMS分析发现6Li+信号集中分布于PA-LiCdPS层，而PEO层信号微弱，证实Li+优先沿二维CSCPs传导（图4a-d）。固态核磁共振（ssNMR）进一步显示循环后PA-LiCdPS层的7Li+信号（化学位移0.20 ppm）被6Li+取代，而PEO层（化学位移-0.75 ppm）保留原信号（图4e-h）。COMSOL模拟表明，PA结构中电流密度集中于LiMPS区域（有效值5.33 A cm-2），较RA结构（7.01×10-4 A cm-2）提升三个数量级，与实验电导率趋势一致，验证了垂直排列结构对离子传导的优化作用。

　　本研究通过仿生垂直排列结构设计，成功构建了具有连续超离子通道的复合电解质，突破了固态电池中高离子电导率与机械柔性的传统矛盾。PA-LiMPS/PEO电解质不仅具备类液态电导率（10.2 mS cm-1）、宽电化学窗口（5.0 V）和优异空气稳定性，更实现了无外部压力下的长效循环（600次容量保持率92%）。该策略通过解耦离子传导与力学性能，为全固态锂电池的产业化提供了新范式，且可扩展至其他超离子材料体系（如Mn基替代Cd），具有重要的科学价值与应用前景。

　　原标题：《【复材资讯】今日Nature Nanotechnol.！中科院深圳先进院成会明院士/彭晶副研究员+华南理工胡仁宗教授》

　　本文为澎湃号作者或机构在澎湃新闻上传并发布，仅代表该作者或机构观点，不代表澎湃新闻的观点或立场，澎湃新闻仅提供信息发布平台。申请澎湃号请用电脑访问。