利用固態電解質可顯著提升高能量密度鋰金屬電池的安全性能，無機/有機固態電解質具有柔韌性好和界面接觸阻抗低等優點，是最具規模化應用潛力的固態電解質之一。然而，復合固態電解質的低離子電導率還無法滿足固態鋰金屬電池的實際應用要求。電導率經典理論表明，固態電解質的離子電導率不僅取決于離子的遷移速率（μi），而且與可遷移自由離子的濃度（ci）成正比。因此，要突破固態電解質的鋰離子電導率閾值，不但要增強鋰離子輸運能力，還需提升可自由移動的鋰離子濃度。由經典麥克斯韋方程ρcharge?=???·?D可知，高介電常數陶瓷材料在外電場下的極化產生內置反向電場，從微觀尺度可能影響復合電解質中鋰鹽的解離。因此，陶瓷電介質與電解質的耦合是同步產生更多可移動鋰離子并實現高效離子輸運的重要潛在策略。

圖1 PVBL復合電解質的鋰鹽解離性質與離子傳輸路徑研究

近日，清華大學深圳國際研究生院康飛宇、賀艷兵團隊與中國科學院大連化物所鐘貴明副研究員合作提出了介電陶瓷材料耦合新方法，提出了創建高通量鋰離子輸運路徑以克服復合固態電解質低離子電導率挑戰的新策略，構建了高離子電導無機/有機復合固態電解質介電材料，同步實現了鋰鹽高效解離和離子“跨物相”快速傳遞。具體而言，研究團隊將BaTiO3-Li0.33La0.56TiO3-x并肩耦合結構納米線與聚偏氟乙烯基體（PVDF）電解質復合，構建了高離子電導高介電復合固態電解質材料（PVBL），發現置于電場下的高介電常數BaTiO3被極化產生內置反向電場，將鋰鹽（LiFSI）的解離度提升了25%，使PVBL產生更高濃度的自由移動鋰離子。同時，研究團隊通過理論計算發現鋰離子跨越BaTiO3-Li0.33La0.56TiO3-x異質結構物相過程中能量降低，自由鋰離子能夠就地自發穿越異質結構界面，快速轉移到耦合的Li0.33La0.56TiO3-x納米線同步實施高效輸運。BaTiO3-Li0.33La0.56TiO3-x異質結構還有效減弱了其與PVDF相的空間電荷層強度，該耦合效應創制的高濃度自由鋰離子以及PVDF相、LLTO相與界面等多重協同高效傳輸路徑，使PVBL的室溫離子電導率達8.2×10?4 S cm?1，鋰離子遷移數提升到0.57，活化能降低到0.2 eV，LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/PVBL/Li固態電池在1C下穩定循環超過1500次，在- 20 oC下仍表現出良好的容量與循環穩定性，該復合固態電解質組裝的軟包固態電池也表現出優異的電化學與安全性能。該研究工作率先通過介電陶瓷材料耦合效應，大幅提升了復合固態電解質的離子輸運能力和可移動鋰離子的濃度，為突破復合固態電解質的離子電導率閾值奠定了理論基礎。

圖2 具有并肩耦合結構的BaTiO3-Li0.33La0.56TiO3-x納米線填料及其所構建的PVBL復合固態電解質結構表征。

圖3 PVBL復合電解質的鋰鹽解離性質與離子傳輸路徑研究

圖4 PVBL復合電解質的多相離子傳輸機制研究

相關研究成果以“用于高電壓固態鋰金屬電池的高鋰離子電導率高介電復合電解質材料”（A dielectric electrolyte composite with high lithium-ion conductivity for high-voltage solid-state lithium metal batteries）為題發表在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）。論文的通訊作者為清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授、賀艷兵副教授及中國科學院大連化物所鐘貴明副研究員，第一作者為清華大學深圳國際研究生院2018級博士生史沛然、2021級博士生馬家賓和柳明助理教授，論文合作者包括清華大學深圳國際研究生院呂偉副教授、深圳大學黃妍斐助理教授等。論文得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點研發計劃、深圳市杰出青年基礎研究、深圳市重點基礎研究等項目的支持。

審核編輯 ：李倩