盖世汽车讯 以纯锂（Li）为负极的锂金属电池（LMBs）因其极高的理论容量而备受关注。然而，其实际应用受到循环稳定性差以及枝晶形成、电解液分解和固态电解质界面不均匀等安全问题的限制。

固态电解质是解决这些挑战的一种很有前景的方案。它们具有电化学稳定性好、机械柔韧性强和制造工艺优势等优点。尽管如此，其实际应用仍受到离子电导率低的限制，这会阻碍锂离子迁移，并加剧与锂金属负极的界面问题。

图片来源：全南国立大学

据外媒报道，由韩国全南国立大学（Chonnam National University）高分子工程系及高分子科学与工程学院教授Mincheol Chang领导的研究团队，开发出一种新型三层复合固体电解质（CSE），能够增强锂金属电池（LMBs）中的离子传输并抑制枝晶形成。

Chang教授解释说：“受贻贝用于附着在岩石上的天然粘附蛋白的启发，我们的三层复合材料将化学活性陶瓷填料与柔性三嵌段共聚物相结合，从而提高了离子电导率和机械强度。”该研究成果发表于期刊《先进材料》（Advanced Materials）。

一种具有不同功能的分层设计

所提出的三层结构由柔软的外层构成，该外层由聚环氧乙烷/双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSI)基体组成，包裹着一个由聚多巴胺(PDA)包覆的Li7La3Zr2O12 (LLZO)颗粒（作为陶瓷添加剂）和聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇(PPP)（作为韧性聚合物组分）增强的中央硬层组成。该三层膜采用溶剂辅助分散、流延成型、热层压和热压等工艺制备而成。

柔软的外层设计用于与电极和锂离子传输通道紧密接触。同时，中心PDA@LLZO-PPP层形成机械强度高且导电性强的骨架。具体而言，化学活性PDA包覆的LLZO（PDA@LLZO）颗粒通过PDA和PEO链之间的氢键耦合以及渗流导电通路，提高了锂离子的迁移率。

PDA还通过与TFSI⁻离子选择性相互作用来提高锂离子浓度。柔性PPP聚合物增强了混合网络，提高了其机械弹性，并有助于抑制锂枝晶的生长。

循环稳定性显著提升

实验表明，优化后的CSE-30设计（PDA@LLZO掺入量为30 wt%，且各层厚度相等）的离子电导率比纯PEO高出近四倍。此外，其锂离子迁移数（衡量锂离子传输效率的指标）高达0.81。

在对称电池测试中，CSE-30实现了超过1000小时的稳定循环，且无枝晶生长。在全电池测试中，其容量为133.6 mAh g⁻¹，经过1000次充放电循环后容量保持率超过80%。

此外，在柔性软包电池结构中，即使电池被折叠或部分切割，仍能继续为LED供电，展现出优异的机械耐久性和功能可靠性。

“我们的电解液专为下一代锂金属电池而设计，可延长电动汽车的续航里程，提升电池安全性，并应用于柔性可穿戴电子设备和长循环寿命的电网级储能系统，” Chang教授表示。

总而言之，这种三层结构设计为开发更安全、更持久的电池提供了一个切实可行的方案，为锂金属电池在电动汽车、消费电子产品、可穿戴设备和电网级储能领域的应用铺平了道路。