传统的锂二次电池存在能量密度低、安全性差等问题，极大地限制了其在电动汽车和大型储能系统中的应用。因此，开发高性能、高安全性的新型锂二次电池迫在眉睫。用安全性较高的固态电解质替代液态电解质被广泛认为是提高锂二次电池能量密度和安全性的有效策略。其中，固态聚合物电解质（SPE）因其高弹性、低电极/电解质界面阻抗、易加工、成本低等特点，被认为是最有希望替代传统液态电解质的材料之一。然而，离子传输能力低、机械强度不足、阻燃性能不理想等问题极大地限制了其进一步发展和实际应用。

近日，中国海洋大学刘帅团队和青岛大学刘杰团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“High-Performance Alginate-poly(ethylene oxide) Based Solid Polymer Electrolyte”。研究者们将通过静电纺丝技术制备的海藻酸钙（CA）纳米纤维膜作为框架，设计了一种基于聚氧化乙烯（PEO）的固态电解质。CA大分子中丰富的C=O和−OH基团不仅有效削弱了锂离子（Li⁺）的配位环境，还促进了锂盐（LiTFSI）的解离，这有助于Li⁺沿PEO聚合物链段迁移，为Li+的高效传输提供了有效途径。同时，在交联过程中引入的钙离子（Ca⁺）显著提高了SPE的阻燃性能（图1）。

图1：CA-PEO SPE的制备过程和离子传输机制

所制备的40 CA-PEO SPE具有较高的离子电导率（3.86 × 10⁻⁴ S cm⁻¹，30℃）、优异的机械强度（2.01 MPa）和较宽的电化学窗口（5.32 V）。组装的锂金属对称电池可在30 ℃条件下稳定循环3000小时以上。同时，在30℃下，磷酸铁锂（LFP）||锂全固态锂金属电池（ASSLMB）在0.3 C下循环300圈后表现出优异的循环稳定性，具备较高的放电容量（141.2 mAh g−1）和容量保持率（92.5%）。

图2：纳米纤维膜和固态电解质的形貌/结构表征、力学性能与阻燃性能测试。

通过静电纺丝技术制备了CA纳米纤维膜，并将其与PEO基固态电解质成功复合（图2）。结果表明，CA纳米纤维膜的引入显著降低了聚合物的结晶度，并影响了电解质中Li⁺的配位环境。此外，CA纳米纤维膜使电解质获得了优异的机械强度（2.01 MPa），可以抑制锂枝晶的形成和生长。同时，提高了其阻燃性能，这有助于全锂金属固态电池获得较高的安全性。

图3：固态电解质的电化学性能研究和DFT理论计算。

如图3所示，与其他电解质相比，所制备的40 CA-PEO SPE具有最高的离子电导率（3.86 × 10⁻⁴ S cm⁻¹，30℃）、最低的活化能（0.38 eV）、最宽的电化学窗口（5.32 V）和最高的离子迁移数（0.62）。此外，当其与LFP正极组合时，其具备最高的离子扩散系数（5.56 × 10⁻¹¹ cm² s⁻¹）和最快的氧化还原反应动力学。同时，DFT理论计算进一步阐明了CA-PEO SPE中的离子传输优化机制。

图4：锂金属对称电池中的电极/电解质界面循环稳定性研究。

通过组装锂金属对称电池对电极/电解质界面循环稳定性进行了研究（图4）。结果表明，通过40 CA-PEO SPE组装的对称电池具备最低的界面阻抗、最低的极化电压、最高的临界电流密度和室温下最优异的循环稳定性（30℃）。同时，循环后金属电极表面的形貌表征进一步证实了40 CA-PEO SPE对锂枝晶生长的抑制作用。

图5：LFP||Li全固态锂金属电池的倍率性能和循环稳定性研究。

通过组装LFP||Li全固态锂金属电池验证了40 CA-PEO SPE与锂基器件的适配性（图5）。结果表明，通过40 CA-PEO SPE组装的LFP||Li全电池具备优异的倍率性能和低的电压极化。同时，在30℃下，LFP||Li全电池在0.3 C下循环300圈后表现出优异的循环稳定性，具备较高的放电容量（141.2 mAh g−1）和容量保持率（92.5%）。本研究工作最大程度地发挥了具有特殊大分子结构的海藻酸盐与静电纺丝技术制成的纳米纤维结构之间的协同作用，为高性能全固态锂金属电池的发展和应用提供了思路。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c22242

人物简介：刘帅，博士毕业于山东大学，美国宾夕法尼亚州立大学博士后，现为中国海洋大学副教授（青年英才工程第二层次），研究方向为金属功能材料与海洋材料， 在Nature Energy、Nature Communication、Energy & Environmental Science、 ASC Nano、Journal of Materials Science & Technology、Chemical Engineering Journal 、Journal of Magnesium and Alloys、Nano Energy等期刊发表SCI论文60余篇。主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金等科研项目，获山东省自然科学二等奖1项。

刘杰，工学博士，硕士生导师，现为青岛大学纺织服装学院教师。主要研究方向为海藻纤维及其复合材料的功能改性及应用，在International Journal of

 Biological Macromolecules、Rare Metals、ACS Applied Materials & Interfaces、Cellulose等期刊发表SCI论文20余篇，主持山东省自然科学基金1项，企业横向课题2项；参与完成国家级科研项目3项，企业横向重大合作项目1项。