深大米宏伟&清华贺艳兵最新AM：缺陷工程构建复合固态电解质的“浅离子阱效应”，实现固态锂金属电池的界面调控和快充

第一作者：温嘉明

通讯作者：米宏伟*，贺艳兵*

单位：深圳大学，清华大学深圳国际研究生院

固态聚合物电解质（SPEs）因其固有的安全性、机械柔韧性和易加工性，在锂金属电池（LMBs）中极具应用前景 。然而，其缓慢的Li⁺传输能力和不稳定的电极-电解质界面仍然是阻碍其实际应用的主要瓶颈 。虽然引入无机填料（如碳化氮、钛酸钡等）可以调节微观结构和界面化学，但在复合固态电解质（CSEs）中，填料是仅作为惰性支架，还是主动控制聚合物基质内的Li⁺传输，其机理仍不明确 。特别是填料的缺陷状态如何影响离子动力学，目前缺乏系统的认知。

近日，深圳大学米宏伟教授与清华大学深圳国际研究生院贺艳兵教授合作，在国际顶级期刊 《Advanced Materials》 上发表题为“Defect-Driven Ionic Trap Construction and Interface Modulation for Rapid Li⁺ Kinetics in Composite Solid Electrolytes”的研究论文。该研究提出了一种“空间分布离子陷阱”框架，以阐明无机填料在调节离子迁移中的关键作用 。研究引入通过球磨改性的氮化碳（MCNOI），利用其丰富的氮空位构建了“浅离子陷阱”。与传统的形成“深离子陷阱”而固定Li⁺的碳化氮（CNOI）不同，MCNOI能够实现Li⁺的可逆捕获/释放，并构建连续的传导通路 。基于该策略优化的复合固态电解质（M-CSE）实现了高Li⁺迁移数（0.68）和超长循环稳定性（>1600 h），并助力全电池在 30 C 的超高倍率下工作 。

传统的碳化氮（CNOI）由于形成“深离子陷阱”，会固定Li⁺从而阻碍其快速传输；而未添加填料的聚合物电解质处于“无陷阱”状态，缺乏选择性位点，导致离子无序扩散 。作者通过球磨工艺制备了富含氮空位的改性碳化氮（MCNOI）。DFT计算和EPR测试表明，MCNOI中的缺陷位点充当“浅离子陷阱”，其与Li⁺的结合能（-7.53 Ha）弱于原始碳化氮（-7.57 Ha），这种微妙的结合强度既能选择性地锚定Li⁺（排除大体积的TFSI-阴离子），又能允许Li⁺在低能垒下通过空穴进行快速跃迁，从而实现高效的定向传输 。

除了调节电解质本征电荷传输，MCNOI还诱导形成了梯度的有机-无机复合固体电解质界面（SEI）和正极电解质界面（CEI） 。XPS和TOF-SIMS深度剖析显示，M-CSE衍生的界面相呈现出“外层有机富集、内层无机富集”的梯度结构 。MCNOI衍生的含氮碎片（CN-, CNO-等）参与了界面构建，有效抑制了阴离子迁移，促进了均匀的锂沉积 。

研究利用原位 XRD、原位 EIS 以及同步辐射 X 射线吸收光谱（EXAFS）深入探究了正极侧的演变 。结果表明，M-CSE 体系在循环过程中保持了高度可逆的 LiFePO₄/FePO4 相变，且 Li⁺ 在正极内部的浓度分布均匀（COMSOL模拟验证） 。相比之下，无陷阱的 SPE 体系表现出明显的电压滞后和晶格畸变。这进一步证实了浅离子陷阱策略在维持正极结构完整性和实现快速电荷转移方面的关键作用。

本工作提出并验证了离子陷阱框架作为复合固态电解质设计的机理基础。通过在碳化氮中引入丰富的氮空位缺陷，成功构建了具有“浅离子阱效应”的复合固态电解质。这种设计不仅实现了Li⁺的可逆捕获与快速传输，还诱导生成了具有梯度组分的稳固界面膜 。该研究揭示了缺陷工程可以将名义上惰性的二维填料转化为Li⁺传输的主动调节器，为设计下一代高倍率、长寿命固态电池提供了全新的设计思路 。

Defect-Driven Ionic Trap Construction and Interface Modulation for Rapid Li⁺ Kinetics in Composite Solid Electrolytes

米宏伟教授简介：米宏伟， 女，博士，教授，深圳大学博士生导师，深圳市高层次人才。担任《Rare Metals》和《Energy Materials and Devices》青年编委，中国复合材料学会新型电池与新能源复合材料分会委员，中国化工学会会员。2006年毕业于华南理工大学获硕士学位，2014年毕业于中国地质大学(武汉)获博士学位，2019年在美国佐治亚理工学院林志群教授课题组访问交流1年。目前主要从事微纳材料的离子、电子输运特性研究及其在光催化方面和二次电池中的应用。先后主持了国家自然科学基金面上项目及青年基金、广东省自然科学基金项目和深圳市基础研究项目等10余项，在国际重要学术期刊发表SCI论文120余篇，总引用5500余次，其中，以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater. 、Adv. Funct. Mater. 、ACS Nano、ACS Energy Lett.、ACS Catal.、Appl. Catal. B-Environ.和Energy Storage Mater. 等国际著名学术期刊发表SCI论文55篇；已获授权发明专利10项，荣获广东省科学技术进步奖二等奖2项，广东省自然科学奖二等奖1项，参编著作1部。

贺艳兵教授简介：清华大学长聘教授，博士生导师，担任清华大学深圳国际研究生院材料研究院副院长。主要从事固态电池材料和器件研究，担任《自然》（Nature），《自然可持续性》(Nature Sustainability),《自然通讯》（Nature Communications）, 《先进材料》（Advanced Materials）, 《应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）, 《能源&环境科学》（Energy & Environmental Science）, 《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）等期刊审稿人。迄今在《自然纳米技术》（Nature Nanotech.）、《国家科学评论》(Natl. Sci. Rev.)、(《自然通讯》（Nature Commun.）、《先进材料》(Adv. Mater.)、《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)、《能源与环境科学》(Energy Environ. Sci.)等期刊共发表SCI论文240余篇，SCI他引22000余次，30余篇入选ESI高被引论文，H因子80；获授权发明专利60余项，PCT专利2项，转移转化6项；获国家技术发明二等奖（排名第五，2017）、广东省自然科学一等奖（排名第二，2019）、第十届侯德榜化工科学技术青年奖（2018）、广东省科学技术二等奖（排名第一，2015）和深圳市自然科学二等奖（排名第一，2016），入选英国皇家化学会会士（2022），2021-2023年度“科睿唯安”全球高被引学者、广东省特支计划科技创新青年拔尖人才（2015）。主持国家自然科学基金委国家级领军人才项目、联合重点项目、面上项目和国家重点研发计划项目课题、深圳市杰出青年基础项目（2020）等。