李光研究员、张晶晶副研究员，Adv. Sci.观点：基于“固-液转变”策略实现界面稳定的高能量密度硫化物基全固态锂电池

第一作者：苏正康

通讯作者：李光*、张晶晶*

单位：东华大学

硫化物固态电解质材料因其优异的离子电导率被认为是最具商业化潜力的固态电解质之一。同时，作为全固态锂电池的核心组件，其对电池的电化学性能起到至关重要的影响。然而，具有高能量密度的硫化物基全固态电池的制备仍面临诸多挑战，其中硫化物固态电解质薄膜的制备是主要障碍之一。由于硫化物固态电解质与极性有机溶剂的高反应活性，使得传统湿法成膜工艺难以适用。因此，干法制膜工艺作为无需溶剂的替代方案逐渐受到重视。但是，目前干法工艺在高性能电解质薄膜的制备上依然面临诸多问题。首先，由于缺乏溶剂的辅助，硫化物固态电解质与粘结剂之间的固-固界面接触较差，难以形成有效的粘附，导致固态电解质薄膜的机械性能受限。其次，当硫化物颗粒未被粘合剂完全包裹时，暴露的硫化物直接与锂金属负极接触会形成不稳定的界面钝化层，进而诱发锂枝晶的生长；当硫化物颗粒被离子绝缘的粘结剂完全包裹时，则会阻碍锂离子的传输，从而影响电解质的离子电导率。因此，在开发新型粘结剂时，必须同时考虑粘结剂的粘弹性、离子导电性以及其在干法工艺中的分散行为，以克服当前的瓶颈问题并提升硫化物基全固态锂电池的整体性能。

近日，来自东华大学的李光研究员、张晶晶副研究员，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Phase-Transition-Promoted Interfacial Anchoring of Sulfide Solid Electrolyte Membranes for High-Performance All-Solid-State Lithium Battery”的文章。本研究创新性地提出了一种无溶剂参与的“固-液转变”策略，有效调控了硫化物固态电解质与锂金属负极界面的离子和电子传输行为，从而成功构建出兼具高能量密度和优异界面稳定性的硫化物基全固态锂电池。

本研究提出了一种无溶剂参与的“固-液转变”策略，通过该策略成功制备了具备优异机械性能的硫化物固态电解质薄膜。一方面，聚己内酯（PCL）基粘结剂可以从固体转变为具有流动性的液体，使其充分浸润Li₆PS₅Cl（LPSCl）硫化物固态电解质颗粒，从而实现均匀的分散和有效的物理包覆；另一方面，得益于“液态”PCL粘结剂与硫化物颗粒之间的强离子-偶极相互作用，粘结剂与电解质之间的界面粘附力也得到显著增强。因此，该策略可在电解质内部形成具有弹性的三维网络结构，不仅改善了薄膜的机械强度，还提升了其整体结构稳定性。

通过“固-液转变”策略构筑的硫化物固态电解质薄膜（LPSCl-PLI）展示了对离子和电子传输的有效调控。LPSCl-PLI电解质在室温下的离子电导率达到了8.5×10⁻⁴ S cm^–1，显著高于使用离子绝缘型粘结剂（PTFE）制备的硫化物固态电解质（1.5×10⁻⁴ S cm^–1）。离子电导率的提升源于PCL基粘结剂（PLI）优异的离子传输能力，使其能够在电解质薄膜内部形成连续且完整的离子传输路径。此外，PLI层不仅能促进高效的离子传输，还有效阻断了电子传输，避免了硫化物固态电解质与锂金属负极之间不利的副反应。得益于这些特性，LPSCl-PLI电解质能够与锂金属负极之间维持稳定的界面接触，在长达1300 h的锂沉积/剥离循环中表现出优异的电化学性能与界面稳定性。

“固-液转变”策略在粘结剂设计上具有广泛的应用潜力。本研究将该策略进一步成功拓展至具有相转变性质的高柔韧性热塑性弹性体（EVA）中，构建LPSCl-EVL固态电解质薄膜。得益于独特的界面粘附性和局部应力消散能力，基于LPSCl-EVL电解质的对称电池展现了卓越的循环稳定性（1300 h）。

Phase-Transition-Promoted Interfacial Anchoring of Sulfide Solid Electrolyte Membranes for High-Performance All-Solid-State Lithium Battery

为了制备具备高离子电导率、良好电解质/电极界面稳定性和优异机械性能的硫化物固态电解质薄膜，东华大学张晶晶团队进一步设计了一种具有同轴纳米纤维形貌的干法粘结剂，通过热熔粘合技术实现了对硫化物固态电解质薄膜的原位增强。该纤维型粘结剂由具有核壳结构的纳米纤维（PVDF-HFP@TPU）构成，其中聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）为壳层，热塑性聚氨酯（TPU）为核层。PVDF-HFP具备优异的粘附性，而TPU则具有良好的柔韧性和热稳定性。基于热熔粘合技术制备硫化物固态电解质薄膜的过程中，壳层PVDF-HFP会转变为可流动的液体发挥粘结作用，而核层TPU则维持原有纤维形貌，提供纤维增强效果。相关工作以“Coaxial Nanofiber Binders Integrating Thin and Robust Sulfide Solid Electrolytes for High-Performance All-Solid-State Lithium Battery” （https://doi.org/10.1002/adfm.202415409）发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。

李光研究员简介：任职于东华大学材料科学与工程学院、纤维材料改性国家重点实验室，主要围绕高性能纤维、纳米碳纤维复合材料、新能源电池电极材料方向开展研究工作。国务院津贴获得者，主持完成国家和省部级科研项目40多项，发表研究论文250篇，获授权发明专利50余项，主编教材/参著科技著作10余部。