青岛大学团队在固态锂电池电解质领域取得重要突破
青岛大学团队在固态锂电池电解质领域取得重要突破
近日，青岛大学的毕志杰和郭向欣团队在固态锂电池领域取得重要进展。他们设计了一种基于PVDF的高锂盐含量、高陶瓷含量的聚合物电解质，实现了双界面稳定性。这种新型电解质不仅提高了离子电导率，还增强了电池安全性，相关研究成果发表在国际顶级期刊《Nano Energy》上。
研究背景与意义
固态锂电池因其高能量密度和安全性而备受关注，但其商业化应用仍面临诸多挑战，其中电解质的设计是关键。青岛大学团队开发的这种新型电解质，通过在正极侧采用"polymer-in-salt"（PIS）电解质，在负极侧采用"polymer-in-ceramic"（PIC）电解质，实现了双界面稳定性的突破。
研究亮点
- 分层电解质设计：从PIS到PIC的分层电解质设计，有效提升了双界面稳定性。
- 副反应抑制：LLZTO被证明能够有效抑制负极界面的副反应。
- 超薄设计：分级电解质总厚度仅为16μm。
- 高负载性能：实现了0.2C下7.6 mg cm−2的高正极载量软包电池。
核心技术突破
电解质材料设计
研究团队首先探究了不同含量LiTFSI与PVDF之间的相互作用。实验发现，随着锂盐含量的增加，PVDF的非晶态区扩大，这有助于形成快速离子传输通道，从而提高离子电导率。同时，高锂盐含量下形成了由阴离子团簇组成的快离子传输途径。
图1. 不同类型的固态电解质及相应固态锂电池的制备工艺示意图 (a)“PIS”电解质，(b)“PIC”电解质，(c)“PIS/PIC”分层电解质
电化学性能优化
在正极侧的"PIS"电解质中，随着锂盐浓度的增加，PVDF的结晶度降低，结构变得更加致密。当质量比为1.25时，"PIS"电解质的离子电导率在30℃时达到最佳值2.1×10−4 S cm−1。所有电解质都呈现4.8 V以上的电化学窗口，与高压正极具有良好的兼容性。
图2 “PIS”电解质结构表征
机械性能增强
在负极侧的"PIC"电解质中，均匀分散的无机填料LLZTO有效抑制了锂枝晶的生长。随着LLZTO含量的增加，电解质的拉伸强度从2.9 MPa增加到5.0 MPa。当LLZTO含量达到60%时，电解质的临界电流密度达到1.8 mA cm−2，并在0.1 mA cm−2下实现超过600小时的稳定循环。
图4 “PIC”电解质的表征及机械性能
电池性能测试
基于这种分层电解质的固态锂电池表现出优异的电化学性能。在0.2C下循环200次后，容量保持率为83.3%，平均库仑效率高于99%。当正极载量提升至7.4 mg cm−2时，电池在0.2C下可稳定循环150次，容量保持率达88.5%。相应的软包电池在0.1C和0.2C下经过120次循环后，容量保持率分别为87.5%和89.7%。
图6 固态NCM/Li全电池电化学性能
总结与展望
这项研究开发的基于PVDF基体的分级结构电解质，通过"PIS"到"PIC"的设计，实现了正极和负极侧的界面兼容性。这种超薄（约16μm）的电解质不仅提高了离子电导率，还增强了电池安全性。研究团队表示，这种电解质设计策略可以扩展到其他聚合物基质，如聚环氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、聚碳酸亚丙酯（PPC）等，以拓宽应用场景。
这项工作为构建高稳定性固态锂电池提供了新的思路和解决方案，有望推动固态锂电池技术的商业化进程。
参考文献：
Kaiyue Liu, Xiaotong Chang, Xin Chen, Xiaoning Liu, Mengyang Jia, Zhijie Bi*, Xiangxin Guo*, Hierarchical-structural design of ultrathin composite electrolytes for high-stability solid-state lithium batteries: From "polymer-in-salt" to "polymer-in-ceramic", DOI: 10.1016/j.nanoen.2025.110644