第一作者：刘雪萍

通讯作者：钱正芳、王任衡

通讯单位：深圳大学

研究背景

随着锂金属电池对高能量密度与安全性的双重需求不断提升，固态聚合物电解质（SPEs）因具备优异的柔性加工性和热稳定性而成为研究热点。然而，其应用仍受两大关键瓶颈限制：其一，锂盐在聚合物基体中的解离效率低，导致离子电导率难以满足实际需求；其二，聚合物与锂金属之间界面易产生副反应，尤其在高压或残余溶剂（如DMF）存在的条件下，易形成阻碍离子迁移的界面产物，严重影响循环稳定性。针对这一难题，近年来人们广泛尝试引入无机填料改善微观结构与界面环境，但如何兼顾锂盐解离、界面稳定与制备可行性仍是一项挑战。因此，设计具备多功能调控能力的复合聚合物电解质材料，成为推动固态锂金属电池实用化的关键路径之一。

研究内容

我们构建了一种以PVDF-HFP/PAN为聚合物基体、La₂O₃为无机填料的复合聚合物电解质。La₂O₃填料表面的La原子可作为吸附位点，有效结合TFSI⁻阴离子，促进锂盐的解离，从而提高电解质中自由Li⁺的浓度与迁移数（0.64）。同时，La₂O₃填料对残余DMF溶剂具有较强的吸附能力，能够削弱其与金属锂之间的副反应，延缓极化并改善界面稳定性。电化学性能测试表明，该复合电解质在25°C下实现了优异的离子电导率（0.31 mS cm^-1）和宽的电化学稳定窗口（4.82 V），在0.2 mA cm^-2、0.2 mAh cm^-2条件下的对称电池中可稳定循环超过1000 h，表现出良好的锂沉积/剥离稳定性。此外，该电解质在与LiFePO₄和高电压NCM811等正极材料时匹配时均展现出良好的循环稳定性，并在低温环境下依然保持优异的容量保持能力，体现出良好的界面兼容性与宽温工作适应性，为高性能固态锂金属电池的实际应用提供了有力支撑。相关研究成果以“La₂O₃-Reinforced Polymer Electrolyte with Enhanced Interfacial Lithium-Ion Conductivity for High Stability Lithium Metal Batteries（IF=12.1）。深圳大学物理与光电工程学院博士生刘雪萍为论文第一作者，钱正芳特聘教授和王任衡研究员为论文共同通讯作者。

文章亮点

1. 采用溶液流延法成功制备了以PVDF-HFP/PAN为聚合物基体、La₂O₃为无机填料的复合聚合物电解质。La₂O₃填料的引入降低了聚合物的结晶度，有利于形成更多的无定形相，进而为锂离子的迁移提供连续的传导通道。结构与形貌表征结果表明，La₂O₃纳米颗粒在基体中分布均匀，未观察到明显团聚或相分离，体现出良好的分散性。

2. La₂O₃填料通过锚定TFSI⁻阴离子，削弱了Li⁺与TFSI⁻之间的离子对结合，促进锂盐解离，提升了电解质中自由锂离子的浓度。结合拉曼光谱和理论计算，进一步验证了这一作用机制对锂离子传输的积极影响，表现为迁移能垒降低、离子电导率和迁移数提升，从而优化了复合聚合物电解质的传输性能。

3. La₂O₃填料的加入降低了复合电解质中残留溶剂DMF的含量。结合理论计算和光谱分析，证明了La₂O₃与DMF之间的强相互作用，有效抑制了电极/电解质副反应，拓宽了电化学稳定窗口，从而提升了锂金属负极的库仑效率和界面稳定性。

4.改性后的电解质可使Li||Li对称电池在0.2 mA cm^-2和0.2 mAh cm^-2下循环超1000 h，，展现出良好的界面稳定性与锂沉积/剥离可逆性。此外，组装的LFP||Li电池在常温下以0.5 C循环300次后容量保持率高达91%。同时，在室温到 -10℃的低温区间内，该电池在0.2 C下循环50次后几乎无容量衰减，进一步体现了其优异的低温适应能力和长期运行稳定性。

5. 改性电解质进一步被应用于高电压NCM811电池中，以验证其在高能量密度体系下的适配性。该电解质能够有效缓解正极材料的结构应变，提升锂离子迁移效率，降低界面阻抗，并在长循环后保持稳定的容量。同时，其对负极表面具备良好保护作用，可有效抑制枝晶生长，提升界面稳定性。柔性电池测试亦显示出良好的机械韧性与安全性能。

作者简介

刘雪萍

第一作者

简介：深圳大学博士研究生，研究方向为光电纳米材料与器件，包括锂离子电池正极改性和聚合物电解质的优化研究。目前已发表以第一作者发表4篇，包括Small、Chem-Asian J. 等，申请发明专利2项。

王任衡

本文通讯作者

深圳大学物理与光电工程学院，研究员/长聘副教授

简介：王任衡，男，博士毕业于中南大学，随后在新加坡南洋理工大学陈晓东教授课题组从事博士后科研工作，入选广东省博士博士后100名创新人物、深圳市海外高层次孔雀人才、深圳市高层次人才等，兼任中国科协科技人才奖项评审专家、教育部学位中心学科评估专家、中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员、深圳市储能标准化技术委员会委员等，担任Chinese Chemical Letters编委、eScience等青年编委。先后主持国家/广东省/深圳市等14余项目，共发表SCI论文70余篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.（3篇），Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Matter、ACS Nano（6篇）、Adv. Funct. Mater.（7篇）、Energy Storage Mater.（3篇）等知名期刊，授权发明专利11项，主要研究方向为光电功能材料与器件、能量转换与存储。