锂金属电池（LMBs）由于锂金属阳极具有超低的还原电位（-3.04 V vs. SHE）、极高的理论比容量（3860 mAh g⁻¹）以及低密度（0.534 g cm⁻³），被广泛视为最具潜力的下一代储能体系之一，因此备受关注。然而，实现其长期、安全、稳定的循环仍然面临巨大挑战。
尽管目前对单层复合固态电解质（CSSEs）的优化研究已取得一定进展，但仍面临关键瓶颈：电解质在阴极与阳极界面处所需的物理和化学特性存在显著差异，使基于单一聚合物基体的CSSEs难以同时满足两侧界面的稳定性要求。例如，PEO基聚合物虽然与金属锂具有良好的相容性，但其较低的氧化稳定性限制了其在高电压阴极中的应用，同时其较差的机械强度也不足以有效抑制锂枝晶的生长。
图 1. 异质双层复合电解质的结构设计。
针对上述问题，北卡州立大学张向武教授团队近日在《Journal of Colloid and Interface Science》发表了最新研究成果“In-situ integration of heterogeneous bilayer composite electrolytes for scalable high-performance lithium-metal batteries”。研究团队通过直接在电极上，采用原位集成策略开发出异质双层复合电解质（HBCE）。如图1所示，与阴极一体化的复合电解质（CEIC）由离子液体EmimTFSI，聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯（PVDF-HFP）和Li6.28La3Al0.24Zr2O12（LLAZO）纳米纤维组成，而与阳极一体化的复合电解质（CEIA）由聚乙二醇甲醚丙烯酸酯（PEGMEA），四乙二醇二甲醚（TEGDME）和LLAZO纳米纤维构成。这样的设计不仅显著提升了电解质的高压稳定性，还有效抑制了锂枝晶的生长趋势。
图2. 复合电解质的结构表征和电化学性能测试。
与传统单层固态电解质相比，HBCE呈现出更优异的热稳定性和拉伸强度（图2）。同时，由于其包含的EmimTFSI、PVDF-HFP和LLAZO纳米纤维均具有较宽的抗氧化范围，HBCE的电化学窗口因此被拓宽到5.15 V，表明其能够很好地适配高电压阴极材料。
图3. 锂对称电池循环性能测试以及表征分析。
在锂对称电池测试中，HBCE表现出最优异的循环稳定性（图3）。 XPS和TOF-SIMS表征结果进一步表明，CEIC在锂表面会生成大量LiF导致SEI脆化和离子迁移受阻。而HBCE中的CEIA层可抑制LiF过度生成，使其在界面处呈现更合理的梯度分布，同时伴随形成更多的有机组分（如RCOOLi）。这些结构有助于构建稳定且富有弹性的SEI膜。另外，HBCE整体优异的机械强度，使其在抑制锂枝晶方面表现更加突出。
图 4. Li||LFP电池循环性能测试。
在Li||LFP电池中，HBCE同样表现出显著的性能优势（图4）。在0.5C下，Li|HBCE|LFP电池初始容量达到156.3 mAh g⁻¹，并在520次循环后仍保持80%的容量（125.4 mAh g⁻¹）。其倍率性能也十分优越，在0.1–2C范围内均能维持高容量，并在恢复低倍率后表现出良好的可逆性。值得注意的是，HBCE电池在1C下循环1000次后仍保持87.9 mAh g⁻¹，显示出极佳的长期稳定性和应用潜力。
图5. Li||NCM811电池循环性能测试以及表征分析。
在更具挑战性的Li||NCM811体系中，HBCE也展现了令人信服的性能表现（图5）。在0.5C与1C条件下，电池分别在300次和200次循环后仍保持127.03 mAh g⁻¹和111.4 mAh g⁻¹的容量。TEM结果显示，CEIA在NCM811表面形成5–10 nm、较为疏松和不均匀的CEI层，而HBCE则在其表面构筑了约3 nm、致密均匀的CEI层。XPS分析进一步揭示，HBCE诱导形成的LiF含量更高，而LiF的高热稳定性和化学惰性能够有效稳定界面，从而延长电池循环寿命。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139389
人物简介：
张向武教授现任北卡罗来纳州立大学威尔逊纺织学院副院长，塞缪尔·S·沃克杰出教授，校友会杰出教授，及特聘杰出学者。同时担任The Fiber Society主席, International Engineering and Technology Institute的Fellow以及北卡州Academy of Outstanding Teachers终生会员。1997年本科毕业于浙江大学高分子材料与工程学系，2001年获得浙江大学材料科学与工程学博士学位，随后在美国德克萨斯州农工(A&M)大学电化学系统和氢能研究中心（2001-2002）和北卡罗莱纳州立大学化学和生物分子工程学系（2002-2006）从事博士后研究工作。从2006迄今，在北卡罗来纳州立大学Wilson纺织学院从事纳米纤维材料、电池材料（电极材料、电解质、隔膜）、其它功能材料等的研究，已先后获得美国联邦政府、美国国家科学基金会等部门的研究经费共900多万美元。在国际期刊上发表约300篇科研论文，并出版两部专著。在多个国际会议或全国会议担任会议主席，并发表了200多个受邀学术报告。曾荣获亚历山大·夸尔斯·霍勒迪卓越勋章，最佳先进材料技术奖，纤维学会杰出成就奖、巴斯夫公开创新奖、校友会杰出研究奖、优秀教师奖等一系列奖项。
