全固态锂金属电池具有高安全性和优异的能量密度，被认为是下一代可充电储能器件之一。聚合物固态电解质以聚环氧乙烷（PEO）为代表，在柔韧性、界面相容性和生产成本方面表现出色，备受关注。然而其输运离子的能力较差、高温下安全性低且抑制锂枝晶生长较弱。因此，迫切需要开发兼具多重离子传输通道、优异耐高温性且能抑制锂枝晶生长的复合电解质。
近日，天津工业大学康卫民教授团队在期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，发表了最新研究成果“Janus nanofibers with multiple Li+ transport channels and outstanding thermal stability for all-solid-state composite polymer electrolytes”。论文第一作者为纺织科学与工程学院博士生向恒莹。如图1所示，研究者通过并列静电纺丝法制备出由高负载氧化钇稳定氧化锆（YSZ）纳米颗粒互联纳米纤维与耐高温、高强芳纶纳米纤维（PMIA）组成的Janus纳米纤维膜（PMIA*YSZ60），随后通过溶液浇筑法向其填充PEO/锂盐体系，得到了具有多重Li+传输通道、优异热稳定性以及电化学性能的复合电解质。
图1 Janus纳米纤维增强复合电解质的制备及Janus纳米纤维机理示意图。
如图2，通过并列静电纺丝成功制备出由高负载YSZ纳米颗粒互联纳米纤维与PMIA纳米纤维组成的PMIA*YSZ60纳米纤维膜。在静电场的作用下，PEO作为粘合剂使YSZ纳米颗粒(占总溶质的60 wt%)有序排列成连续的YSZ60纳米纤维。在YSZ60纳米纤维内部纳米颗粒紧密连接形成陶瓷渗透相，而暴露在外部的纳米颗粒与填充的PEO电解质形成丰富的有机/无机Li+传输界面，从而能为电解质提供了多重锂离子传输通道。所制备的耐高温与高强PMIA纳米纤维不仅为电解质提供了强有力的骨架支撑而且也提高了复合电解质的高温安全性。
图2 PMIA*YSZ60 纳米纤维形貌表征
如图3，通过组装Li||Li对称电池对制备的复合固态电解质抑制锂枝晶的能力进行了评估。锂对称电池充放电测试证明了PMIA*YSZ60纳米纤维通过促进锂盐解离、吸附锂盐中阴离子、促进富LiF-SEI的生成和提供多重Li+传输通道而稳定锂负极界面的积极作用。所组装的Li||Li对称电池表现出良好的循环稳定性，在电流密度为0.3 mA cm-2和面积容量为0.3 mAh cm-2条件下稳定循环超过2500 h。
图3复合固态电解质的锂对称电池测试。
如图4，通过组装LFP||Li扣式电池对复合固态电解质与LFP正极之间的稳定性进行了表征。在不同倍率下的测试表明了复合电解质在锂金属电池中具有的优异循环性能，LFP||Li电池在0.5 C和1 C条件下均能稳定循环2000次且具有高的库伦效率。此外，在1 C条件下循环5000次后仍具有107.9 mAh cm-2放电比容量。
图4 复合固态电解质的LFP||Li固态锂电池性能测试。
如图5，通过组装NCM||Li扣式电池验证了复合电解质与高压正极之间的稳定性。测试结果证明，复合电解质组装的NCM||Li电池具有优异的倍率性能以及在500次充放循环中表现出良好的循环稳定性，这可归因于复合电解质具有较高的电化学稳定窗口（~4.73V）。
图5复合固态电解质的NCM||Li固态锂电池性能测试。
如图6，对复合电解质进行热稳定性测试发现引入PMIA*YSZ60纤维膜的电解质具有优异的热稳定性以及良好的阻燃性。此外，复合电解质组装的软包电池在高温加热条件下仍具有稳定的电压以及成功点亮41颗LED灯，这也证明了所制备的复合电解质在高性能以及高温柔性软包电池中具有良好的实际应用潜力。
图6 复合固态电解质热稳定性测试。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D4TA01836B
人物简介
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。近年来相关实验性研究成果先后以第一作者或通讯作者发表在Energy Storage Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、eScience 、Advanced Fiber Materials等期刊发表SCI多篇，论文总引用次数达4513次，h-index为40，于2021~2023年连续三年入选“全球前2%顶尖科学家榜单”，并荣获天津市优秀青年科技工作者称号。
