固态电解质作为构建高安全、高能量密度电池体系的重要材料，展现出广阔的应用前景。其中，复合固态电解质已展现出独特的优势，它有望结合无机电解质的高离子电导率与聚合物电解质优异的界面相容性的优点，因而具有突出的发展潜力。然而，该类材料在离子传导性能与机械柔性之间，仍普遍面临难以兼得的固有矛盾。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）碳中和技术研究所成会明院士、彭晶副研究员联合华南理工大学胡仁宗教授，提出了一种新型复合固态电解质结构设计，成功实现了离子传导与机械柔性的解耦。该电解质在25 °C下实现了高达10.2 mS cm-1的离子电导率，同时能与电极保持紧密的机械接触。其复合结构由垂直排列的LixMyPS3（LiMPS，M为Cd或Mn）纳米片层与聚氧化乙烯（PEO）层交替堆叠而成：前者构建了连续的快离子传导通道，后者则确保了材料的柔韧性及界面相容性。相关成果以"Superionic composite electrolytes with continuously perpendicular-aligned pathways for pressure-less all-solid-state lithium batteries"为题发表在Nature Nanotechnology上。深圳先进院成会明院士、彭晶副研究员和华南理工大学胡仁宗教授为论文共同通讯作者。深圳先进院兰雪侠（博士后）和中国科学技术大学-深圳先进院联合培养硕士生李圳（已毕业）为该论文共同第一作者。深圳先进院为该研究第一单位。
突破复合电解质瓶颈：从“此消彼长”到“协同并进”
全固态锂电池采用固态电解质替代传统易燃电解液，在显著提升安全性的同时，还具有实现更高能量密度的潜力。然而，现有固态电解质普遍面临一个核心矛盾：无机固态电解质虽有高离子电导率，但其固-固界面接触差，通常需要在电池体系上施加较大外部压力才能工作，限制了实际应用；而聚合物电解质界面接触好、柔性佳，但离子电导率往往偏低，难以在常温下保证全固态锂电池的高效运行。而复合电解质试图融合二者优点，却难以逃脱“离子电导率”与“机械柔韧性”之间此消彼长的权衡。当无机填料含量较低时，复合电解质的室温离子电导率普遍低于1.0 mS·cm-1。提高无机相的含量虽可提升离子电导率，却会增加成膜难度，同时聚合物相在无机颗粒之间形成的“桥梁”会破坏快速离子传导通路的连续性。
设计灵感：垂直的连续二维离子通道，源于自然的仿生结构
为解决复合电解质的“离子电导率”与“机械柔韧性”之间的权衡难题，研究团队从自然界生物矿物的精巧结构中汲取灵感——脆性的纳米材料通过特定的有序组装，可以形成具有弹性功能的宏观结构。受此启发，研究人员设计并构筑了一种具有垂直的连续二维离子通道的PA-LiMPS/PEO复合电解质（图2）：它由垂直排列的二维超离子导体LiMPS纳米片层与柔性的PEO聚合物层交替堆叠而成。这一设计克服了离子在LiMPS纳米片在沿着平面传输和跨平面传输的各向异性，在复合电解质中构建了连续的垂直离子传输通道，并以聚合物作为可形变的支撑框架维持该通道的完整性，从而实现离子传导能力与机械柔性之间的解耦。
优异性能：兼备高离子电导率和良好机械柔性
扫描电子显微镜图显示（图3），PA-LiCdPS/PEO和PA-LiMnPS/PEO电解质都具有PEO层与二维硫化物PA-LiMPS层交替排列的规整结构。PA-LiMPS层平均厚度约15 μm，由多个紧密堆叠的单层或少层LiMPS纳米片构成。该交替垂直排列的结构在从50 μm至200 μm的电解质中均能保持完整。
在此结构设计下，成功解决了LiMPS纳米片内锂离子传输的各向异性问题，充分利用了其面内高离子电导率。形成的二维连续超离子传导通道使PA-LiCdPS/PEO的室温离子电导率达10.2 mS cm-1，比无序排列的RA-LiCdPS/PEO的9.6 × 10-3 mS cm-1高出三个数量级。具有同样结构设计的PA-LiMnPS/PEO电解质的室温离子电导率为6.1 mS cm-1。此外，PA-LiCdPS/PEO和PA-LiMnPS/PEO电解质都表现出类似聚合物的机械柔韧性，有利于与电极保持紧密接触。这与高模量、极低变形能力（<0.5%）的传统高导无机电解质形成了鲜明对比。
无压全固态锂电池的验证
PA-LiCdPS/PEO和PA-LiMnPS/PEO电解质对锂金属和高压正极可同时保持极强的电化学稳定性，电化学稳定窗口高达5.0 V（vs. Li+/Li）。电解质独特的交替垂直排列结构能将电池循环过程中垂直应力转化为横向变形，有效适应体积变化、缓解界面机械应力。这一特性使得电池即使在无压（<0.1 MPa）条件下也能保持紧密的电极/电解质界面接触，摆脱了对高外部堆叠压力的依赖。如图4所示，在扣式电池（<0.5 MPa）中，Li||LiFePO4和Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2在0.34 和0.2 mA cm-2下循环600次后，容量保持率分别为81%和92%。组装的无压（<0.1 MPa）Li||LiFePO4软包电池，也展现出良好的倍率性能与循环稳定性。
应用优势：高空气稳定性和无压下的应用
PA-LiMPS/PEO电解质展现出显著优于传统硫化物电解质的空气稳定性，其核心优势源于LiMPS材料的本征稳定晶体结构。LiMPS材料中，离子传导被限制在其坚固的二维[P2S6]4-框架内，这不仅赋予其优异的电化学稳定性，也构成了其环境稳定性的结构基础。例如，PA-LiCdPS/PEO电解质在潮湿空气中稳定存放7天后，离子电导率仅从10.2轻微下降至9.8 mS cm-1，基本不释放H2S（图5）。而传统硫化物电解质极易与潮湿空气反应并释放H2S，耐受时间通常仅数分钟。即使经过表面处理或元素掺杂改进的材料，耐受时间一般也仅延长至1小时左右，引起材料化学、结构及电化学性质的显著劣化。
已报道的高离子电导的无机固态电解质普遍存在固-固界面接触差的问题，导致这些材料必须依赖外部施加的高堆叠压力（通常为数MPa至数百MPa不等）来维持电化学循环所必需的界面接触。而PA-LiMPS/PEO电解质实现了全固态锂电池在无外加堆叠压力条件下的稳定工作，与传统高性能无机固态电解质形成了鲜明对比。摆脱了夹具束缚，有利于大幅提升能量密度和简化工艺与成本，与传统高性能无机固态电解质形成了鲜明对比。
此研究成功开发了一种高性能的PA-LiCdPS/PEO复合固态电解质，其突破性在于解决了传统固态电解质中离子电导率与机械柔性不可兼得的核心矛盾。该电解质通过仿生结构设计，实现了离子传导与力学性能的有效解耦，在25 °C下兼具10.2 mS cm-1的高离子电导率和优异的界面机械相容性。此外，研究进一步拓展出具有类似结构的PA-LiMnPS/PEO电解质体系，其在保持高离子电导率的同时，更兼具元素可用性优势、良好的空气稳定性、以及无压运行潜力，展现出突出的实用化前景。此研究所提出的“连续超离子传导通道”的设计，为下一代高性能、高安全、实用化的全固态锂电池的发展提供了重要的理论依据与技术路径。
图1 文章上线截图
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02106-9
图2 PA-LiMPS/PEO复合电解质的结构设计
图3 PA-LiCdPS/PEO和PA-LiMnPS/PEO电解质的结构表征、离子电导率和机械柔性
图4 以PA-LiCdPS/PEO为电解质的全固态锂电池的电化学性能
图5 PA-LiMPS/PEO电解质与传统高离子电导固态电解质的空气稳定性和所需的堆叠压力的比较
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