PEO+SiO₂！固态聚合物电解质兼具高韧性和阻燃性！复旦大学赵婕&浙江工业大学陶新永，最新Nature子刊！

全固态锂金属电池因高能量密度和高安全性而备受关注，但固态聚合物电解质存在离子电导率低和应力诱导锂沉积不可控的问题。锂金属在循环中体积变化显著，导致电解质压缩和界面应力积累，破坏锂离子电镀动力学，引发不均匀沉积和枝晶生长。现有应力缓解策略多集中于锂金属电极工程，而通过电解质结构设计调控应力演化的研究仍不充分。

2026年9月30日，复旦大学赵婕研究员、浙江工业大学陶新永教授在《Nature Communications》上发表了题为“Stress homogenization enabled by a layered composite electrolyte for high-performance all-solid-state lithium metal batteries”的研究论文，提出了层状复合电解质设计策略，通过将非晶二维SiO₂纳米片集成到PEO-LiTFSI体系中，同时提供连续离子传导通路并调控应力分布，实现均匀锂沉积。

研究团队采用原位二维应力监测和三维实时可视化技术追踪锂沉积/剥离过程中的应力变化。结果表明，Li|裸SPE|Li对称软包电池在20次循环后归一化轴向膨胀力从1.0增至1.5，二维应力图显示局部应力集中。有限元模拟表明，锂多晶压缩导致裸SPE局部变形，应力在狭窄空间范围内集中，归一化时间0.3内积累、0.7内衰减。相场模型模拟揭示，局部应力梯度诱导离子重分布，破坏锂离子通量，导致不均匀沉积。层状SPE设计中，刚性二维SiO₂纳米片作为应力传播介质，使应力在聚合物基体中快速均匀分散。

研究团队通过湿化学法合成非晶二维SiO₂纳米片，SEM显示直径约5 μm，AFM显示厚度约3.8 nm，TEM证实其柔性，HRTEM显示无序原子排列。XRD无SiO₂结晶峰，Raman在606和495 cm⁻¹处出现非晶SiO₂特征峰，EPR在g=2.003处信号证实氧空位存在。纳米压痕测得SiO₂纳米片杨氏模量为68.29 GPa。层状SPE通过蒸发辅助自组装制备，可制成1米长卷材，厚度约100 μm，截面SEM显示有序致密层状结构，EDS确认Si元素均匀分布。

纳米压痕测试表明，层状SPE压缩杨氏模量和硬度分别为3.7和0.17 GPa，高于裸SPE的1.2和0.07 GPa。AFM模量 mapping显示层状SPE平均模量3.1 GPa，高于裸SPE的0.9 GPa。单轴拉伸测试显示，层状SPE拉伸杨氏模量190 MPa，屈服强度20.5 MPa，塑性变形达2250%，韧性483 MJ m⁻³，均优于裸SPE。DSC显示层状SPE熔融温度降至44°C，表明结晶度降低。LSV显示层状SPE氧化电位达4.7 V，高于裸SPE的4.3 V。⁷Li NMR显示层状SPE化学位移向低场移动0.09 ppm，表明Li⁺-PEO相互作用减弱。Raman显示层状SPE中自由TFSI⁻比例显著提高，FTIR中1059和1146 cm⁻¹峰向低波数移动，表明Li⁺与醚氧基团相互作用减弱。DFT计算表明，TFSI在含氧空位非晶SiO₂上的吸附能达3.11 eV，有利于TFSI从Li-TFSI中释放。

电化学测试表明，层状SPE在60°C下离子电导率达1.6×10⁻³ S cm⁻¹，30°C下为3.3×10⁻⁴ S cm⁻¹，活化能0.39 eV。Li⁺迁移数达0.77。Li|层状SPE|Li对称电池在60°C、0.1 mA cm⁻²下稳定循环3000 h，过电位约20 mV，而裸SPE在300 h后短路。30°C下稳定循环700 h。循环后SEM显示裸SPE体系锂负极出现严重枝晶和裂纹，AFM显示杨氏模量波动大（0至5.00 GPa）；层状SPE体系锂沉积致密光滑，表面粗糙度仅40 nm，杨氏模量平均7.60 GPa。XPS显示裸SPE体系沉积物以Li₂CO₃为主，层状SPE体系以Li₂O为主，有利于离子迁移。Li|层状SPE|LFP全电池在30°C、0.2C下400次循环容量保持84.3%。软包电池（7.65 mAh）在60°C、0.2C下100次循环容量保持85.7%。

1、提出层状复合电解质设计策略，利用二维SiO₂纳米片作为应力传播介质，实现应力快速均匀分散，同时构建连续离子传导通路。

2、层状SPE压缩模量达3.7 GPa，离子电导率3.3×10⁻⁴ S cm⁻¹，Li⁺迁移数0.77，兼具高韧性和阻燃性。

3、Li|层状SPE|Li对称电池60°C下稳定循环3000 h，Li|层状SPE|LFP全电池400次循环容量保持84.3%，软包电池100次循环容量保持85.7%。

图1 应力监测与力-电化学耦合关系

图2 层状SPE的制备与表征

图3 层状SPE的微观与宏观力学性能

图4 层状SPE的电化学与物理化学性能

图5 多物理场调控下的均匀锂离子沉积

图6 全电池与软包电池电化学性能

本研究提出层状复合电解质设计策略，通过将非晶二维SiO₂纳米片集成到PEO-LiTFSI体系中，利用刚性纳米片作为应力传播介质，实现应力快速均匀分散，同时构建连续离子传导通路。层状SPE压缩模量达3.7 GPa，离子电导率3.3×10⁻⁴ S cm⁻¹，Li⁺迁移数0.77。Li|层状SPE|Li对称电池在60°C下稳定循环3000 h，Li|层状SPE|LFP全电池400次循环容量保持84.3%，软包电池100次循环容量保持85.7%。该工作揭示了力-电化学耦合机制，为高比能全固态锂电池的电解质结构设计提供了新思路。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-78129-0

文章来源：新能源前沿