邹磊（Lei Zou）等人于2025年5月6日在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一项关于固态锂电池电解质的研究。
该研究聚焦于固态锂金属电池（solid-state lithium metal batteries, SSLMBs）领域，旨在解决高镍三元正极材料（Ni-rich NCM）与锂金属负极匹配时，固体电解质难以同时兼容两侧界面的核心难题。高镍三元正极（如LiNi₀.₉Co₀.₀₅Mn₀.₀₅O₂, NCM9055）在充电时会产生强氧化性的高价镍离子（Ni⁴⁺），对电解质的高压抗氧化性要求苛刻；而锂金属负极具有强还原性，且伴随不可控的锂枝晶生长问题。单一体系的电解质，无论是聚环氧乙烷（polyethylene oxide, PEO）基复合聚合物电解质（composite polymer electrolytes, CPEs）还是腈基凝胶聚合物电解质（gel polymer electrolytes, GPEs），均难以同时满足对正极抗氧化和对负极抗还原的界面稳定性要求。PEO基电解质对锂负极稳定性好，但其端羟基易被高电压氧化；腈基电解质（如丁二腈succinonitrile, SN基）抗氧化窗口宽，但其活泼的腈基（-C≡N）会与锂金属发生严重副反应。
研究团队的核心思路是设计一种多相聚合物电解质（multiphase polymer electrolyte），将上述两种聚合物体系进行集成，利用其互补性实现双侧界面兼容。具体工作流程分为三个关键部分：PEO基CPEs膜的制备与纳米填料改性、腈基GPEs的结构设计、以及二者的一体化整合与界面兼容性分析。
在PEO基CPEs的构建中，团队以PEO和聚苯并咪唑（polybenzimidazole, PBI）为聚合物基体，其中PBI作为耐腈类溶剂的骨架相，提供机械支撑，而PEO相负责通过溶胀法容纳腈基液体电解质。研究的创新点在于引入了经过表面修饰的无机快离子导体纳米填料Li₁.₃Al₀.₃Ti₁.₇(PO₄)₃（LATP）。他们使用硅烷偶联剂(3-氯丙基)三甲氧基硅烷（CPTMS）对LATP进行表面接枝，得到LATP@CPTMS。通过高分辨率透射电镜（HRTEM）观察到，修饰后的粒子表面形成了约10纳米厚的非晶涂层。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）证实，接枝的CPTMS上的氯丙基（-C₃H₆Cl）与PBI链上的咪唑环发生了一种独特的桥接反应。这种化学键合作用使LATP@CPTMS纳米填料能够均匀地锚定在PBI骨架与离子导体相的界面上，有效避免了传统纳米填料易团聚、造成离子传导路径不连续的问题。一系列对比实验确定了最优组分：锂盐LiDFOB与PEO的质量比为1:1，LATP@CPTMS的添加量为20 wt.%。
在腈基GPEs的设计中，团队选择了高极性的乙腈（acetonitrile, AN）和具有塑性晶体结构的丁二腈（SN）作为主体，溶解高浓度锂盐LiTFSI，并引入了碳酸亚乙烯酯（VC）单体和季戊四醇四丙烯酸酯（PETEA）交联剂。该前驱体溶液在80 °C下通过热引发剂AIBN引发原位热固化（in situ thermal solidification），使VC和PETEA通过碳碳双键共聚，形成固态凝胶网络。密度泛函理论（DFT）计算表明，AN和SN拥有最低的最高占据分子轨道（HOMO）能级，赋予体系高抗氧化性；同时，VC-PETEA共聚网络中的羧基氧原子与SN/AN中的腈基氮原子共同提供了丰富的锂离子配位位点，协同促进了离子传导。
在整合与界面分析阶段，研究制备了厚度约14微米的薄电解质膜。接触角、吸液率和离子电导率测试优化了整体组成。最终得到的多相聚合物电解质（命名为PPLC GPEs）展现出优异的综合性能。在氧化稳定性方面，通过线性扫描伏安法（LSV）测试，PPLC GPEs的电化学稳定窗口提升至4.75伏，远超传统PEO基电解质的4.25伏，可直接匹配高电压NCM9055正极。在还原稳定性方面，DFT计算的结合能和LUMO能级证明，PEO链段会优先与SN和AN分子结合，形成PEO-SN和PEO-AN体系，这种分子锚定效应阻止了腈基与锂金属的直接接触，从而抑制了副反应。循环伏安（CV）测试和锂对称电池长时间的恒流极化进一步证实了这一点，使用PPLC GPEs的锂/锂电池在0.2 mA cm⁻²下可稳定循环超过1500小时，远超对比组的585小时和967小时。XPS分析表明，优异的循环稳定性得益于锂负极表面形成了富含氟化锂（LiF）、碳酸锂（Li₂CO₃）和氮化锂（Li₃N）的稳固固态电解质界面层。
受益于纳米填料的均匀分散和高效锂离子传输通道的构建，PPLC GPEs在25 °C下的离子电导率达到了1.03 × 10⁻³ S cm⁻¹，锂离子迁移数（tLi⁺）高达0.665。将该电解质应用于NCM9055正极的扣式电池进行电化学评估，在2.8-4.3 V、0.3 C倍率下，电池的初始放电比容量高达225.1 mAh g⁻¹，循环150圈后容量保持率达87.9%，其循环可逆性和稳定性远优于参比样。放电过程中的dQ/dV微分容量曲线显示，使用PPLC GPEs的电池在100次循环中H3-H2相变峰的电压偏移极小，证实了其优异的界面稳定性。
在应用验证层面，研究团队组装了软包电池以评估其实际应用潜力。NCM9055/PPLC GPEs/Li软包电池在0.3 C下可稳定输出~40 mAh的容量。为验证安全性，使用石墨负极的NCM9055/PPLC GPEs/石墨软包电池不仅提供了119 mAh的初始容量，更在极端滥用测试中表现卓越：在点亮LED灯的同时，经历了折叠、穿刺、切割等机械破坏后，电池仍能稳定工作且无液态泄漏；在直接燃烧测试中，电池也未发生热失控，展现出了本征的阻燃特性。
该研究的核心结论是通过PEO基骨架与腈基凝胶的复合，协同表面修饰的LATP纳米填料的桥接技术，成功构建了一种新型多相聚合物电解质PPLC GPEs。这一策略从根本上突破了单一电解质体系难以同时满足对高镍正极和锂金属负极双界面稳定性的瓶颈。其科学价值在于通过DFT计算和先进的界面表征揭示了PEO锚定腈基分子以抑制其腐蚀锂负极的分子级机制，以及通过化学桥接实现纳米填料有序分布以构筑高效离子通道的设计原理。其应用价值在于该工作采用的都是商业化原材料和可行的规模化工艺（如原位热固化），制备的软包电池兼具高能量密度与卓越的安全性，为开发未来高安全、高性能的高镍三元固态锂金属电池提供了一条极具前景且实用的新思路。研究的亮点可归纳为：一个创新性的“互补集成”多相体系设计；开发了利用LATP@CPTMS与PBI的独特桥接反应实现纳米填料的单分散技术；在室温下实现了优异综合电化学性能与超长稳定循环；以及通过极端滥用测试证明了其软包电池的固有超高安全性。