【美能鋰電】觀察：全固態(tài)鋰電池（All-Solid-State Lithium Batteries, ASSLBs）因其潛在的高安全性和高能量密度而被視為下一代儲(chǔ)能技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，其商業(yè)化進(jìn)程面臨一個(gè)核心挑戰(zhàn)：固體界面問(wèn)題。電極與固態(tài)電解質(zhì)之間的固-固接觸導(dǎo)致界面阻抗高、接觸穩(wěn)定性差，以及嚴(yán)重的界面副反應(yīng)。本文系統(tǒng)闡述了聚合物材料在解決這些界面難題中的關(guān)鍵作用,梳理聚合物在復(fù)合電解質(zhì)、粘結(jié)劑及界面保護(hù)層中的應(yīng)用。

采用聚合物涂層、聚合物中間層和粘結(jié)劑的固態(tài)電池示意圖

全固態(tài)鋰電池的界面挑戰(zhàn)

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使用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)（ISEs）的鋰固態(tài)電池（LiSSBs）面臨的主要發(fā)展挑戰(zhàn)示意圖

與傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池不同，全固態(tài)電池內(nèi)部為固-固界面接觸。這種接觸存在幾個(gè)固有難題：

1.接觸面積?。?/strong>剛性固體之間的機(jī)械接觸難以達(dá)到液態(tài)浸潤(rùn)的水平，導(dǎo)致有效離子傳輸面積有限，界面電阻巨大。

2.接觸失效：在循環(huán)過(guò)程中，電極材料（尤其是合金型負(fù)極或鋰金屬負(fù)極）會(huì)發(fā)生顯著的體積變化，易導(dǎo)致與固態(tài)電解質(zhì)的物理接觸失效。

3.化學(xué)/電化學(xué)不穩(wěn)定性：許多高性能無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，如硫化物電解質(zhì)（如LPSCl），在與高電壓正極（如LiNi?Mn?Co?O?, NMC）或低電位鋰金屬負(fù)極直接接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的界面副反應(yīng)，生成高阻抗的界面相，加速性能衰減。

聚合物在界面工程中的核心作用

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聚合物材料因其可調(diào)的化學(xué)性質(zhì)、良好的柔韌性和成膜性，為解決上述界面問(wèn)題提供了多種解決方案。

復(fù)合電解質(zhì)：協(xié)同提升綜合性能

所研究的復(fù)合電解質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)合電解質(zhì)（Composite Electrolytes, CEs）旨在結(jié)合無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的高離子電導(dǎo)率和聚合物電解質(zhì)的優(yōu)良界面接觸性能。其主要設(shè)計(jì)策略包括：

無(wú)機(jī)填料增強(qiáng)聚合物基質(zhì)：將ISE顆粒（如Li??GeP?S??, Li?La?Zr?O??）作為填料分散于聚環(huán)氧乙烷（PEO）等固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE）基質(zhì)中。填料不僅能提供離子傳導(dǎo)快速通道，還可抑制聚合物鏈結(jié)晶，提高離子電導(dǎo)率。研究表明，在PEO-LiTFSI基質(zhì)中加入40 wt%的LPSCl填料，可將離子電導(dǎo)率從0.84 mS cm?1提升至3.6 mS cm?1。

三維多孔無(wú)機(jī)骨架浸潤(rùn)聚合物：構(gòu)建三維連續(xù)的多孔無(wú)機(jī)電解質(zhì)框架（如LLZO），并將其孔隙用SPE填充。該結(jié)構(gòu)為離子傳輸提供了剛性骨架，同時(shí)通過(guò)聚合物保證了與電極的緊密接觸。

功能性粘結(jié)劑：超越粘接的多功能化

(a) C10點(diǎn)擊化學(xué)粘結(jié)劑與NMC正極的作用機(jī)理及復(fù)合正極SEM圖;(b) LiG3離子液體改性NBR粘結(jié)劑的工作機(jī)理示意圖;(c) 使用改性粘結(jié)劑（添加LiG3）與未改性粘結(jié)劑的正極，其首圈充放電曲線對(duì)比

在全固態(tài)電池電極制造中，粘結(jié)劑需滿(mǎn)足苛刻的化學(xué)相容性要求，并發(fā)展出超越傳統(tǒng)粘接的功能。

溶劑相容性：硫化物ISE對(duì)極性溶劑（如N-甲基吡咯烷酮, NMP）敏感，而傳統(tǒng)聚偏氟乙烯（PVDF）粘結(jié)劑需NMP溶解。因此，開(kāi)發(fā)與ISE兼容的新型粘結(jié)劑至關(guān)重要。研究通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)合成了名為C10的粘結(jié)劑，它能在非極性的對(duì)二甲苯中加工，有效避免了與LPSCl電解質(zhì)的副反應(yīng)。

離子電導(dǎo)性：粘結(jié)劑被賦予離子傳導(dǎo)功能以?xún)?yōu)化電極內(nèi)部的離子傳輸網(wǎng)絡(luò)。例如，將溶劑化離子液體（Li(G3)?TFSI） 與丁苯橡膠（NBR）結(jié)合，形成離子導(dǎo)電凝膠粘結(jié)劑。該粘結(jié)劑為電極提供了額外的離子傳輸路徑，顯著降低了界面阻抗，提升了電池倍率性能。

界面保護(hù)層：抑制副反應(yīng)與穩(wěn)定接觸

（a）設(shè)計(jì)的在CAM上具有PEDOT中間層的固態(tài)電池示意圖;（b）與裸露正極活性材料在0.05C倍率下首圈的充放電曲線。（c）CNT上有無(wú)PEDOT涂層的電池在首圈以0.1 mV s?1掃描速率記錄的循環(huán)伏安曲線

在活性材料表面構(gòu)建納米級(jí)聚合物保護(hù)層，是隔絕其與電解質(zhì)直接接觸、抑制副反應(yīng)的有效策略。

正極保護(hù)層：通過(guò)分子層沉積（MLD） 技術(shù)在高壓正極材料（如NMC）表面涂覆一層5-10納米的導(dǎo)電聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT），可有效防止其與硫化物電解質(zhì)（如Li??GeP?S??）的相互擴(kuò)散和反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明，該涂層將電池的容量保持率從13.6%顯著提升至51.0%。

負(fù)極保護(hù)層/中間層：在鋰金屬負(fù)極與剛性ISE之間引入一層柔軟的聚合物中間層（如PEO-LiTFSI或聚丙烯酸, PAA），可充當(dāng)人工SEI層。其作用包括：改善界面潤(rùn)濕性、均勻鋰離子流以抑制枝晶、緩沖體積變化。例如，引入PAA中間層可將鋰負(fù)極與LLZTO電解質(zhì)間的界面電阻從1104 Ω cm2降至55 Ω cm2，使對(duì)稱(chēng)電池穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)400小時(shí)。

現(xiàn)存挑戰(zhàn)與未來(lái)研究方向

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盡管聚合物界面工程取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)：

性能權(quán)衡：聚合物材料的離子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度及電化學(xué)穩(wěn)定性之間常存在權(quán)衡關(guān)系。開(kāi)發(fā)新型聚合物體系（如單離子導(dǎo)體、嵌段共聚物）以實(shí)現(xiàn)性能協(xié)同優(yōu)化是重點(diǎn)方向。

界面機(jī)理研究：需要對(duì)聚合物/電極/電解質(zhì)多相界面處的離子傳輸、降解機(jī)制和力學(xué)演化進(jìn)行更深入的原位表征和理論研究。

工藝與規(guī)模化：如何將MLD、溶液涂覆等實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)化為低成本、可規(guī)?；a(chǎn)的制造工藝，是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵。

聚合物材料通過(guò)構(gòu)建復(fù)合電解質(zhì)、開(kāi)發(fā)功能性粘結(jié)劑和施加界面保護(hù)層等多種策略，為解決全固態(tài)鋰電池的固-固界面難題提供了行之有效的解決方案。這些策略顯著改善了界面離子傳輸、抑制了有害副反應(yīng)、并增強(qiáng)了界面的機(jī)械穩(wěn)定性。未來(lái)的研究需聚焦于深化界面基礎(chǔ)科學(xué)認(rèn)識(shí)、創(chuàng)新聚合物材料體系、以及開(kāi)發(fā)可規(guī)模化的制備技術(shù)，從而推動(dòng)全固態(tài)鋰電池技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

作為專(zhuān)注于鋰電技術(shù)前沿的觀察者與傳播者，【美能鋰電】持續(xù)關(guān)注并分享此類(lèi)基礎(chǔ)研究的重大突破。我們深信，每一次技術(shù)的革新都將推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向前邁進(jìn)。

原文參考：The role of polymers in lithium solid-state batteries with inorganic solid electrolytes

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