康卫民教授、邓南平副教授ESM：三维卷曲纤维网络赋予弹性固态电解质快离子传导和应力自适应性

全固态锂电池（ASSLB）因其优异的能量密度和安全性成为最有前景的电池技术之一。然而，一些限制仍然存在，包括固态电解质的低离子电导率和电极不对称体积变化引起的应力挑战。在复合固态电解质的开发中，诱导随机分散的纳米填料相互连接形成三维无机连续骨架，可以有效解决一维填料的局部聚集、点接触不良以及跨相传输问题。但目前取向性连续框架的制备技术存在一些固有的局限性，包括后处理工艺复杂、易引入缺陷、垂直取向性不足、材料特性要求高，柔韧性不足等。此外，脆性陶瓷或软聚合物在电池循环过程中缓冲电极的机械变形或外部压力仍然具有挑战性。

近日，来自天津工业大学的康卫民教授和邓南平副教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Resilience-driven 3D quasi-vertical fiber networks in composite electrolyte for fast ion-conduction and stress self-adaptation in all-solid-state batteries”的研究文章。本研究基于同轴静电纺丝过程中热塑性聚氨酯（TPU）在不稳定射流区域的拉伸回弹性，设计开发了一步法制备的三维卷曲导锂纤维网络。其中高负载Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂（LLZTO）使具有近似垂直结构的连续复合界面易于达到渗流阈值。特别是，电池循环过程中的原位电化学阻抗谱和原位应力监测表明了弹性电解质的应力自适应机制，即基于多尺度力学调节的应力释放和弹性恢复机制。

基于带电液滴在静电纺丝不稳定射流区域的多重受力，一步制造三维近似垂直排列的卷曲导锂纤维网络。高速摄像技术拍摄的同轴静电纺丝过程中，带电射流经历拉伸、弹性收缩和缠结的形态变化，最终沉积在接收装置上。通过FIB-SEM获得的单纤维截面和线扫图片显示其同轴结构，外层含60wt%LLZTO纳米颗粒，内层为TPU。纤维膜呈现出随机卷曲的纵向分布，即存在沿跨膜方向的分量。该技术实现了纤维膜从各向同性的二维水平结构到具有卷曲纤维的三维网络的转变。

卷曲的纤维网络可以为锂离子在超过渗透阈值的定向区域提供快速传输路径，另外增强该区域内空间电荷层、渗流效应和聚合物离子相互作用机制。同时，进一步引入Gd掺杂SnO₂(GDS)和Li_0.33La_0.557TiO₃(LLTO)纳米管，均匀分散的纳米管减弱了Li+-TFSI的离子缔合，增强了Li⁺的传输动力学。多复合界面增强作用使复合电解质在30℃时离子电导率达1.56×10⁻⁴ S cm⁻¹。CPE-COA电解质组装的锂对称电池在0.2 mA cm⁻¹下可实现~9000 h的超长稳定循环。CPE-COA-GDS电解质组装的磷酸铁锂电池表现出优异的循环性能，可在1C和50℃条件下稳定循环2900次。

动态应力自适应使弹性电解质能够通过多尺度变形适应电极不对称的膨胀/收缩，适应锂枝晶生长和电极体积膨胀引起的应力，确保紧密的界面接触和连续的离子传导路径。该弹性电解质可实现在电极的较大非对称体积变化过程中的应力消除和弹性恢复。CPE-COA电解质具有高延展性（284%）和优异的压缩回弹性（92.5%）。采用原位EIS分析表明，LFP/PEO-LiTFSI/Li电池在前10次循环中逐渐向更高的τ值偏移，总阻抗增加，动力学过程减缓。弹性电解质则表现出更快的离子扩散和电荷转移过程。原位应力监测结果显示相比于PEO-LiTFSI电解质，弹性电解质具有更显著的应力响应和弱应力松弛。

康卫民教授简介：天津工业大学纺织科学与工程学院教授、博士生导师，中国纺织学术带头人、天津市中青年科技领军人才、全国纺织青年科技创新领军人才、天津市“131”创新型人才培养工程第一层次人选、天津市创新能手、天津市优秀科技工作者。康卫民教授长期从事纳微纤维材料理论研究、制备技术及应用开发，先后主持或参与国家级项目12项，天津市和企业项目20余项，研究成果荣获国家科技进步奖二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项、二等奖4项。

邓南平副教授简介：天津工业大学纺织科学与工程学院副教授、博士生导师，主要从事纳微纤维材料的制备及其在锂电池领域的应用研究，目前主持国家自然科学基金、天津市面上项目、中国博士后科学基金特别资助项目及企业横向项目多项。近年来，申请人以第一和通讯作者在eScience、ACS Nano、AFM、ESM、AFMs等期刊发表SCI论文70余篇，4篇入选ESI高被引，总引用次数5767次，h-index为45。获授权专利12项，荣获2023年度中国纺织工业联合会发明专利金奖，专著《熔喷非织造材料》被评为部委级优秀出版物一等奖。连续入选“全球前2%顶尖科学家榜单”，并获“天津市优秀青年科技工作者”、“优秀创新创业导师奖”等称号。