固態鋰金屬電池由于其高能量密度和高安全性，被認為是新一代能源存儲設備的理想選擇。固態電解質是固態鋰金屬電池最核心的部件，一直受到科研界和工業界的極大關注。以聚(環氧乙烷)（PEO）為代表的聚合物固體電解質因其柔韌性好、制造成本低、穩定性可靠等優點而得到了廣泛的研究。不斷加快鋰離子在聚合物固體電解質中的輸運，改善固體聚合物電解質與鋰金屬負極之間的界面穩定，以實現固態鋰金屬電池的長期循環穩定一直是研究人員的突破方向。

【工作介紹】 近日，天津工業大學鄧南平、程博聞、康衛民等人通過靜電溶吹紡絲技術和高溫煅燒工藝制備了多孔鐵電陶瓷鈦酸鉍（Bi4Ti3O12）納米纖維（BIT NFs）并將其作為納米填料混合在PEO/LiTFSI體系中制備了BIT NFs改性的復合固態電解質（BIT NFs/PEO/LiTFSI）。結合鐵電BIT NFs材料特性（鐵電性、壓電性）和形貌結構（一維、多孔）的優點，實現了聚合基電解質離子電導率和界面穩定性的雙重提升。50℃下，BIT NFs/PEO/LiTFSI電解質的離子電導率為6.25×10-4S cm-1，鋰離子轉移數為0.47。組裝的鋰對稱電池在50℃，0.2mA cm-2的電流密度下維持了3000 h的穩定循環，表現出良好的鋰枝晶抑制能力；組裝的LFP電池在0.2 mA cm-2的電流密度下循環1000次后仍保持118.2 mA h g-1。該文章以 “Improved ionic conductivity and enhanced interfacial stability of solid polymer electrolytes with porous ferroelectric ceramic nanofibers” 為題，發表在國際知名期刊Energy Storage Materials上。博士生康俊寶為本文第一作者。 【內容表述】

圖1. 材料合成和機理說明 從材料特性來看：BIT作為Aurivillius家族中一種典型的鐵電陶瓷材料，具有自發極化高、壓電常數大的特點。鐵電陶瓷材料的永久偶極子，作為比非鐵電材料組成原子更強的路易斯酸堿，能更好的促進鋰鹽的解離。同時鈣鈦礦層中存在的氧空位，能與鋰鹽的陰離子發生強烈的相互作用，從而釋放更多的自由鋰離子。此外，鐵電材料自發極化產生的內建電場有望促進鋰離子的傳遞，進而提高聚合物電解質的離子電導率。在電解質/鋰負極界面處，鐵電BIT固有的壓電特性使其在受到鋰凸起擠壓發生形變后產生瞬時壓電效應，從而實現對鋰離子均勻沉積行為的動態調控，最終實現對鋰枝晶的良好抑制。因此，將其作為無機陶瓷填料添加到有機聚合物基體中，有望帶來快速的鋰離子傳導，并增強與鋰金屬電極的界面穩定性。 從結構形貌來看：通過靜電溶吹紡絲技術和隨后的高溫煅燒工藝可以快速、大量制備一維、多孔BIT納米纖維。通過對紡絲助劑的選擇，高溫處理得到的BIT陶瓷納米纖維具有更多的孔結構。添加的一維、多孔BIT無機納米纖維填料不僅保證了與聚合物基體的良好接觸，而且利用其較大的長徑比構建了長程、連續的有機-無機界面。 1. BIT NFs的表征 通過SEM、XRD、BET、HRTEM等表征數據證明了BIT NFs的多孔、一維結構。

圖2. 前驅體纖維和BIT NFs的表征 2. BIT NFs/PEO/LiTFSI電解質的表征 通過XRD 、SEM、DSC、TG等表征數據證明了BIT NFs的均勻混入和對PEO基電解質結晶度、熱穩定性能、力學性能的影響。通過電化學測試證明了BIT NFs對PEO基電解質離子電導率、鋰離子遷移數和電化學窗口的提升作用。

圖3. BIT NFs/PEO/LiTFSI復合固體電解質的物理、電化學性能 3.BIT NFs對鋰離子解離、傳輸的促進作用 通過EPR、XPS、FTIR光譜等結果證明了BIT NFs所富含的氧空位和自身偶極子有效地促進了鋰鹽的解離。

圖4. BIT NFs促進鋰離子解離、傳輸作用的表征 進一步通過DFT理論計算證明了氧空位對鋰鹽解離的促進作用。

圖5. BIT NFs促進鋰離子解離作用的DFT計算 4. BIT NFs對鋰離子沉積行為的動態調節 通過DFT計算理論上證明了BIT NFs鐵電性和壓電特性對鋰離子沉積行為的動態調節機制。

圖6. BIT NFs對鋰離子沉積行為的動態調節機制和DFT計算 進一步，通過壓電性能測試、鋰對稱電池充放電測試和原位光學顯微鏡測試等手段從實驗上驗證了所制備的BIT NFs通過鐵電性和壓電特性對鋰離子沉積行為進行動態調節以穩定界面的積極作用。

圖7. BIT NFs動態調節鋰離子沉積行為以提升界面穩定的電池性能評估 5. 裝配有BIT NFs/PEO/LiTFSI電解質的全電池性能測試 通過組裝LFP/NCM | BIT NFs/PEO/LiTFSI | Li電池在不同溫度下測試了復合電解質與LFP和高壓NCM電極材料匹配的電化學性能。證明了孔鐵電陶瓷BIT納米纖維對聚合物固體電解質離子電導率和界面穩定性的雙重提升作用。

圖8. 全固態LiFePO4/LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2||鋰電池在不同溫度下的電化學性能 Junbao Kang, Zirui Yan, Lu Gao, Yaofang Zhang, Weicui Liu, Qi Yang, Yixia Zhao, Nanping Deng, Bowen Cheng, Weimin Kang, Improved ionic conductivity and enhancedinterfacial stability of solid polymer electrolytes with porous ferroelectric ceramic nanofibers,Energy Storage Materials, 2022. DOI:10.1016/j.ensm.2022.09.005
審核編輯 ：李倩