全固态锂金属电池具有高安全性和高能量密度，被视为下一代储能设备的有力竞争者。然而，锂枝晶生长和电解质/电极界面机械相容性差等问题严重影响了电池的长期稳定性。实现电解质的高刚度和高阻尼性能可以解决以上问题，但这对现有固态电解质而言是一项巨大的挑战。 受牙釉质超结构的启发，近日，复旦大学材料科学系赵婕课题组和化学系李伟课题组合作开发出一种超薄高强高阻尼仿生复合固态电解质，它由非晶陶瓷纳米管阵列与聚合物电解质交织而成。
这种仿生固态电解质实现了刚度（杨氏模量达15 GPa，硬度为0.13 GPa）和阻尼性能（损耗因子tanδ = 0.08）的平衡，成功打破了现有固态电解质中刚度与阻尼的矛盾关系。一方面，这种电解质拥有媲美无机固态电解质的刚度，可有效抑制锂枝晶的生长；另一方面，其阻尼性能接近于聚合物固态电解质，确保了与电极的紧密接触。 此外，与晶体结构相比，非晶结构更有利于聚合物链段的扩散运动；非晶陶瓷中的氧空位作为路易斯酸活性位点，有效促进了锂盐的解耦；高度定向的无机-有机界面最大限度地减少了锂离子的扩散路径。因此，以上优点协同提高了锂离子的传输效率。该仿生电解质在室温下展现出较高的离子电导率（1.34×10-4 S·cm-1）和优异的锂离子迁移数（0.62）。 最终，基于该仿生电解质的锂对称电池在60 °C下循环寿命超过2000小时，在30 °C下超过500小时。同时，LiFePO4/Li和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/Li全固态电池也表现出较好的循环性能，展示了其在工业应用中的潜力。值得一提的是，该仿生策略同样适用于钠离子固态电解质，具有普适性。 该研究通过多尺度仿生结构设计构筑了高刚-高阻尼固态电解质，为提升全固态锂金属电池的安全性与电化学性能提供了全新思路。 论文信息 Multiscale Engineered Bionic Solid-State Electrolytes Breaking the Stiffness-Damping Trade-Off Dr. Junyu Hou, Wu Sun, Qunyao Yuan, Longjiang Ding, Yanhua Wan, Zuohui Xiao, Tianke Zhu, Xingyu Lei, Jingsen Lin, Rongrong Cheacharoen, Yunlei Zhou, Dr. Shaolei Wang, Dr. Farid Manshaii, Jin Xie, Wei Li, Jie Zhao Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202421427
