全固態電池，作為電動汽車和電網儲能領域的未來方向，正受到學術界和工業界的高度關注。其核心部件固態電解質，根據材料類型可分為有機聚合物和無機陶瓷。有機聚合物（如溶解在聚環氧乙烷中的雙三氟甲基磺酰亞胺鋰）易于加工，但離子電導率較低（25 °C 下約 10??S cm?1）。無機陶瓷（如氧化物、鹵化物或硫化物）離子電導率較高（25 °C 下約 10?2S cm?1），但普遍存在水敏性問題（如硫銀鍺礦 Li?PS?Cl 會釋放有毒 H?S）。

長期以來，鋰電池領域一直嘗試將有機聚合物與無機材料結合，形成復合固態電解質，以期兼顧兩者的優點。早期研究曾通過在聚合物電解質中填充納米尺寸無機顆粒，或通過化學修飾實現原子級雜化，這些方法在提升電極穩定性和機械性能方面取得一定進展。然而，要實現滿足實際應用需求的鋰離子傳輸速率和機械性能，仍是巨大挑戰。

本文提出了一種巧妙的方法：通過交替排布薄層陶瓷和柔性聚合物，實現了有機/無機復合固態電解質的納米結構對齊，從而在低操作壓力（0.1–0.5 MPa）下同時獲得快速離子傳輸和可調的機械穩定性。這一突破性進展對于固態電解質至關重要。因為傳統陶瓷電解質為確保與電極的良好接觸，往往需要極高的壓力（數 MPa 甚至高達 500 MPa），這顯然不適用于工業化生產。

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突破水敏性：二維過渡金屬磷硫族化物

為解決無機陶瓷組分的水敏性問題，Lan 等人獨具匠心地選用二維過渡金屬磷硫族化物（Li??M???PS?，其中 M=Cd, Mn）作為鋰離子的層狀主體。這類材料的層狀結構中含有 P–P 鍵，確保了良好的化學穩定性和鋰離子電導率，有效避免了目前主流硫化物固態電解質中水解不穩定的 [PS?]3?單元。值得一提的是，這種 Li??M???PS?無機固態電解質甚至可以通過水輔助的陽離子交換反應制備，顯示出其優異的化學穩定性。

Li??M???PS?陶瓷固態電解質具有與高性能固態電解質相當的平面內離子電導率（25 °C 下約 10?2S cm?1），因為鋰離子在層間的范德華間隙中可以無阻礙地運動。然而，完全各向異性的電導率對電池而言并非福音。在壓制過程中，材料通常會平行于電極表面對齊，從而阻礙鋰離子在正負極間的傳輸。

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巧妙的納米結構對齊

為了克服這一難題，研究團隊展現了非凡的智慧：他們成功地將這些層垂直于電極表面定向。具體方法是：首先制備由聚環氧乙烷-雙三氟甲基磺酰亞胺鋰與 Li??M???PS?交替層疊的復合固態電解質（每層數微米厚），然后將這些層添加到厚板中，通過切割和折疊形成。接下來，再利用切片機將這些厚板切成薄片——這無疑是一項精妙的工藝。當這些切片薄膜用作固態電解質時，Li??M???PS?層便垂直于電極表面，為電池運行提供了足夠的平面內鋰離子電導率。

復合固態電解質中有機和無機組分的耦合

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卓越的電池性能與工業化前景

這項研究為解決固態電解質的界面接觸和水敏性問題提供了有效方案。實驗結果令人振奮：一個在 25 °C 下運行的 Li||LiNi?.?Mn?.?Co?.?O?硬幣電池原型，在循環過程中無需額外堆疊壓力（僅組裝時保留的 0.5 MPa 壓力），即可完成 600 次充放電循環，并保持 92% 的初始比放電容量。該電池的循環倍率可高達 1.7 mA cm?2。此外，一個實驗室規模的 Li||LiFePO?軟包電池也在 0.1 MPa 的低堆疊壓力下展現出穩定的循環性能。

這些令人印象深刻的成果，引發了業界對這項技術能否從實驗室走向工業化生產的思考。研究的復合固態電解質中包含了 Cd（鎘）和 Mn（錳）作為骨架金屬。盡管含 Cd 的復合固態電解質電化學性能略優（可能歸因于更強的 S–Cd 共價鍵），但由于 Cd 的稀缺性和毒性，其大規模應用可能性較低。因此，盡管含 Mn 的復合固態電解質電池性能稍遜，但 Mn 含量高且毒性低，更具實用前景。

對于切片工藝，如何將其推廣到 A4 尺寸的大面積制造，以及切片厚度能否足夠薄以確保高能量密度而不增加過多重量，這些都是亟待解決的工程問題。研究表明，大尺寸薄膜（數微米至數十微米）可以通過專用設備進行處理，這為未來規模化生產提供了信心。

通過對陶瓷和聚合物層化學結構的進一步調整，有望繼續提升對齊復合固態電解質的傳輸和機械性能，并增強其對超過 4.3 V（相對于 Li?|Li?）高壓正極的氧化穩定性。這項納米結構對齊的創新方法無疑將吸引電池領域的高度關注，并激發更多對該發現進行復現或超越的研究。Lan 等人的工作為解決全固態電池長期面臨的界面接觸不良、離子傳輸受限和水敏感性等核心難題提供了突破性思路，預示著高性能、低壓運行的全固態電池的未來可期。

原文參考：Nano-aligning composite solid electrolytes

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