全固態(tài)鋰金屬電池因其高安全性和高能量密度，被認(rèn)為是下一代儲能設(shè)備的有力競爭者。然而，鋰枝晶的生長及電解質(zhì)/電極界面機(jī)械相容性差等問題嚴(yán)重制約了固態(tài)電池的長期循環(huán)穩(wěn)定性。作為固態(tài)電池的核心部件，固態(tài)電解質(zhì)材料的剛度和阻尼在力學(xué)性能上呈現(xiàn)出此消彼長的制約關(guān)系：以無機(jī)陶瓷為代表的剛性電解質(zhì)雖具備高楊氏模量，但其阻尼（粘彈性）不足，導(dǎo)致電極/電解質(zhì)界面機(jī)械相容性差；而聚合物基電解質(zhì)雖表現(xiàn)出良好的界面相容性，卻因模量過低難以有效抑制鋰枝晶的生長。這一剛度-阻尼的倒置關(guān)系成為制約固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題。

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https://doi.org/10.1002/anie.202421427

近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系趙婕課題組和化學(xué)系李偉課題組在Angewandte Chemie期刊上合作發(fā)表了題為“Multiscale Engineered Bionic Solid-State Electrolytes Breaking the Stiffness-Damping Trade-Off”的研究論文。研究團(tuán)隊受牙釉質(zhì)超結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計并開發(fā)出一種由非晶TiO2納米管陣列與聚合物電解質(zhì)PEO交織而成的仿生復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了高剛度（楊氏模量達(dá)15 GPa，硬度為0.13 GPa）和優(yōu)異的阻尼性能（tanδ=0.08），成功解決了傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)中剛度與阻尼難以兼顧的問題。一方面，這種電解質(zhì)擁有媲美無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的剛度，可有效抑制鋰枝晶的生長；另一方面，其阻尼性能接近于聚合物固態(tài)電解質(zhì)，確保了與電極的緊密接觸。

此外，該仿生復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)在室溫下展現(xiàn)出優(yōu)異的離子電導(dǎo)率（1.34×10?? S·cm?1）和較高的鋰離子遷移數(shù)（0.62）。研究表明，非晶結(jié)構(gòu)相比晶體結(jié)構(gòu)更有利于聚合物鏈段的擴(kuò)散運(yùn)動，從而促進(jìn)鋰離子的遷移。同時，非晶陶瓷中的高濃度氧空位（Ovs）作為路易斯酸活性位點(diǎn)，有效促進(jìn)了鋰鹽的解離，高度有序的無機(jī)-有機(jī)界面降低了鋰離子擴(kuò)散路徑的迂曲度，協(xié)同提升了鋰離子傳輸效率。

電化學(xué)測試表明，基于該電解質(zhì)組裝的鋰對稱電池在60 °C下實(shí)現(xiàn)超過2000小時的穩(wěn)定運(yùn)行，在30 °C下循環(huán)壽命突破500小時。與LiFePO4和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正極匹配的全電池體均展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，表明了其在工業(yè)應(yīng)用中的巨大潛力。值得一提的是，該仿生策略同樣適用于鈉離子固態(tài)電解質(zhì)，展現(xiàn)出普適性優(yōu)勢。

復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系博士后侯俊宇、碩士生孫武和博士生袁群瑤為該論文的共同第一作者；復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系的趙婕青年研究員和復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系的李偉教授為共同通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“新能源汽車”專項、國家自然科學(xué)基金面上項目、上海市政府間國際科技合作項目等經(jīng)費(fèi)的支持。

文章信息：

Junyu Hou#, Wu Sun#, Qunyao Yuan#, Longjiang Ding, Yanhua Wan, Zuohui Xiao, Tianke Zhu, Xingyu Lei, Jingsen Lin, Rongrong Cheacharoen, Yunlei Zhou, Shaolei Wang, Farid Manshaii, Jin Xie, Wei Li*, Jie Zhao*, Angew. Chem., 2025, 64, e202421427

（來源：復(fù)旦大學(xué) 版權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）