固態電解質作為構建高安全、高能量密度電池體系的重要材料，展現出廣闊的應用前景。其中，復合固態電解質已展現出獨特的優勢，它有望結合無機電解質的高離子電導率與聚合物電解質優異的界面相容性的優點，因而具有突出的發展潛力。然而，該類材料在離子傳導性能與機械柔性之間，仍普遍面臨難以兼得的固有矛盾。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱“深圳先進院”）碳中和技術研究所成會明院士、彭晶副研究員聯合華南理工大學胡仁宗教授，提出了一種新型復合固態電解質結構設計，成功實現了離子傳導與機械柔性的解耦。該電解質在25 °C下實現了高達10.2 mS cm-1的離子電導率，同時能與電極保持緊密的機械接觸。其復合結構由垂直排列的LixMyPS3（LiMPS，M為Cd或Mn）納米片層與聚氧化乙烯（PEO）層交替堆疊而成：前者構建了連續的快離子傳導通道，后者則確保了材料的柔韌性及界面相容性。相關成果以"Superionic composite electrolytes with continuously perpendicular-aligned pathways for pressure-less all-solid-state lithium batteries"為題發表在Nature Nanotechnology上。深圳先進院成會明院士、彭晶副研究員和華南理工大學胡仁宗教授為論文共同通訊作者。深圳先進院蘭雪俠（博士后）和中國科學技術大學-深圳先進院聯合培養碩士生李圳（已畢業）為該論文共同第一作者。深圳先進院為該研究第一單位。

突破復合電解質瓶頸：從“此消彼長”到“協同并進”

全固態鋰電池采用固態電解質替代傳統易燃電解液，在顯著提升安全性的同時，還具有實現更高能量密度的潛力。然而，現有固態電解質普遍面臨一個核心矛盾：無機固態電解質雖有高離子電導率，但其固-固界面接觸差，通常需要在電池體系上施加較大外部壓力才能工作，限制了實際應用；而聚合物電解質界面接觸好、柔性佳，但離子電導率往往偏低，難以在常溫下保證全固態鋰電池的高效運行。而復合電解質試圖融合二者優點，卻難以逃脫“離子電導率”與“機械柔韌性”之間此消彼長的權衡。當無機填料含量較低時，復合電解質的室溫離子電導率普遍低于1.0 mS·cm-1。提高無機相的含量雖可提升離子電導率，卻會增加成膜難度，同時聚合物相在無機顆粒之間形成的“橋梁”會破壞快速離子傳導通路的連續性。

設計靈感：垂直的連續二維離子通道，源于自然的仿生結構

為解決復合電解質的“離子電導率”與“機械柔韌性”之間的權衡難題，研究團隊從自然界生物礦物的精巧結構中汲取靈感——脆性的納米材料通過特定的有序組裝，可以形成具有彈性功能的宏觀結構。受此啟發，研究人員設計并構筑了一種具有垂直的連續二維離子通道的PA-LiMPS/PEO復合電解質（圖2）：它由垂直排列的二維超離子導體LiMPS納米片層與柔性的PEO聚合物層交替堆疊而成。這一設計克服了離子在LiMPS納米片在沿著平面傳輸和跨平面傳輸的各向異性，在復合電解質中構建了連續的垂直離子傳輸通道，并以聚合物作為可形變的支撐框架維持該通道的完整性，從而實現離子傳導能力與機械柔性之間的解耦。

優異性能：兼備高離子電導率和良好機械柔性

掃描電子顯微鏡圖顯示（圖3），PA-LiCdPS/PEO和PA-LiMnPS/PEO電解質都具有PEO層與二維硫化物PA-LiMPS層交替排列的規整結構。PA-LiMPS層平均厚度約15 μm，由多個緊密堆疊的單層或少層LiMPS納米片構成。該交替垂直排列的結構在從50 μm至200 μm的電解質中均能保持完整。

在此結構設計下，成功解決了LiMPS納米片內鋰離子傳輸的各向異性問題，充分利用了其面內高離子電導率。形成的二維連續超離子傳導通道使PA-LiCdPS/PEO的室溫離子電導率達10.2 mS cm-1，比無序排列的RA-LiCdPS/PEO的9.6 × 10-3 mS cm-1高出三個數量級。具有同樣結構設計的PA-LiMnPS/PEO電解質的室溫離子電導率為6.1 mS cm-1。此外，PA-LiCdPS/PEO和PA-LiMnPS/PEO電解質都表現出類似聚合物的機械柔韌性，有利于與電極保持緊密接觸。這與高模量、極低變形能力（<0.5%）的傳統高導無機電解質形成了鮮明對比。

無壓全固態鋰電池的驗證

PA-LiCdPS/PEO和PA-LiMnPS/PEO電解質對鋰金屬和高壓正極可同時保持極強的電化學穩定性，電化學穩定窗口高達5.0 V（vs. Li+/Li）。電解質獨特的交替垂直排列結構能將電池循環過程中垂直應力轉化為橫向變形，有效適應體積變化、緩解界面機械應力。這一特性使得電池即使在無壓（<0.1 MPa）條件下也能保持緊密的電極/電解質界面接觸，擺脫了對高外部堆疊壓力的依賴。如圖4所示，在扣式電池（<0.5 MPa）中，Li||LiFePO4和Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2在0.34 和0.2 mA cm-2下循環600次后，容量保持率分別為81%和92%。組裝的無壓（<0.1 MPa）Li||LiFePO4軟包電池，也展現出良好的倍率性能與循環穩定性。

應用優勢：高空氣穩定性和無壓下的應用

PA-LiMPS/PEO電解質展現出顯著優于傳統硫化物電解質的空氣穩定性，其核心優勢源于LiMPS材料的本征穩定晶體結構。LiMPS材料中，離子傳導被限制在其堅固的二維[P2S6]4-框架內，這不僅賦予其優異的電化學穩定性，也構成了其環境穩定性的結構基礎。例如，PA-LiCdPS/PEO電解質在潮濕空氣中穩定存放7天后，離子電導率僅從10.2輕微下降至9.8 mS cm-1，基本不釋放H2S（圖5）。而傳統硫化物電解質極易與潮濕空氣反應并釋放H2S，耐受時間通常僅數分鐘。即使經過表面處理或元素摻雜改進的材料，耐受時間一般也僅延長至1小時左右，引起材料化學、結構及電化學性質的顯著劣化。

已報道的高離子電導的無機固態電解質普遍存在固-固界面接觸差的問題，導致這些材料必須依賴外部施加的高堆疊壓力（通常為數MPa至數百MPa不等）來維持電化學循環所必需的界面接觸。而PA-LiMPS/PEO電解質實現了全固態鋰電池在無外加堆疊壓力條件下的穩定工作，與傳統高性能無機固態電解質形成了鮮明對比。擺脫了夾具束縛，有利于大幅提升能量密度和簡化工藝與成本，與傳統高性能無機固態電解質形成了鮮明對比。

此研究成功開發了一種高性能的PA-LiCdPS/PEO復合固態電解質，其突破性在于解決了傳統固態電解質中離子電導率與機械柔性不可兼得的核心矛盾。該電解質通過仿生結構設計，實現了離子傳導與力學性能的有效解耦，在25 °C下兼具10.2 mS cm-1的高離子電導率和優異的界面機械相容性。此外，研究進一步拓展出具有類似結構的PA-LiMnPS/PEO電解質體系，其在保持高離子電導率的同時，更兼具元素可用性優勢、良好的空氣穩定性、以及無壓運行潛力，展現出突出的實用化前景。此研究所提出的“連續超離子傳導通道”的設計，為下一代高性能、高安全、實用化的全固態鋰電池的發展提供了重要的理論依據與技術路徑。

圖1?文章上線截圖

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02106-9

圖2 PA-LiMPS/PEO復合電解質的結構設計

圖3 PA-LiCdPS/PEO和PA-LiMnPS/PEO電解質的結構表征、離子電導率和機械柔性

圖4?以PA-LiCdPS/PEO為電解質的全固態鋰電池的電化學性能

圖5 PA-LiMPS/PEO電解質與傳統高離子電導固態電解質的空氣穩定性和所需的堆疊壓力的比較