高粘度聚合物电解质调控锂沉积模式：助力高性能固态锂金属电池

固态电池因其高能量密度和安全性被视为下一代储能技术的关键发展方向。然而在实际应用中，传统的固态电解质往往难以与锂金属负极保持紧密且均匀的接触，导致界面处产生巨大的局部电流聚集，进而引发严重的极化现象与枝晶刺穿问题。近期的一项研究提出了一种由高粘度聚合物电解质控制的锂沉积新模式。该模式将锂限制在界面处并引导其形成堆叠的晶体颗粒，通过锂与电解质之间强烈的物理结合作用，从根本上阻止了枝晶的进一步生长，为解决上述行业痛点提供了极具前景的方案。

优异的界面接触

Millennial Lithium

负极有效接触面积的增加会直接并按比例地降低外加电流密度对界面的负面冲击，这正是确保电池高倍率性能的核心要素。与传统负极形貌中空间分布不均且偏大的电流密度模式不同，高粘度电解质能够促使锂表面与固态电解质之间形成极为紧密的贴合。这种紧密接触显著促进了固-固界面的离子传输效率，有效降低了电化学极化并从源头抑制了枝晶的成核。

电化学阻抗谱的测量结果明确显示，在对称电池中，这种高粘度电解质的界面电阻仅为75.6 Ω cm⁻²，远远低于传统刚性电解质高达234.5 Ω cm⁻²的阻抗值。塔菲尔曲线测试进一步证实，其交换电流密度达到了0.251 mA cm⁻²。得益于这种独特的颗粒堆叠沉积模式以及稳固的界面接触，对称电池能够实现9.0 mA cm⁻²的极高临界电流密度。在长期循环稳定性方面，该体系在0.2 mA cm⁻²的测试条件下能够维持4500小时的极低极化电压（始终小于70 mV），即使将电流密度大幅提升至5 mA cm⁻²，电池依然能够稳定循环超过1200小时。循环前后的测试对比表明，其粘附力仅发生微小变化（从286.8 nN降至277.9 nN），证明电解质的高粘度在长循环中得到了充分维持，能够持续且稳定地引导颗粒状锂的沉积。

锂负极防腐

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除了从物理层面调控锂的沉积形貌，高粘度电解质强劲的界面粘附力还大幅提升了锂负极的抗腐蚀稳定性。通过有限元模拟可以清晰地观察到，当有效接触面积比例减小并伴随外加电流密度的增加时，界面过电势会出现非常显著的攀升。传统的固态电解质由于无法在充放电的体积变化中维持充分的物理接触，往往会导致局部电流密度过高，这无疑加剧了界面处的破坏性副反应。这些副反应会不断侵蚀负极表面，造成接触面积的持续恶化，最终导致电池电化学性能的断崖式衰退。相比之下，高粘性电解质能够如同流体般与负极表面保持极其一致的共形接触，从而将界面极化降至最低，有效抑制了由副反应引起的腐蚀现象，为电池的长效稳定循环保驾护航。

锂-固态电解质界面接触对锂负极腐蚀及锂硫电池电化学性能的影响。a,b, 在不同外加电流密度和有效接触面积组合下，负极过电势(a)和最大局部电流密度分布(b)的有限元模拟结果。c,d, 传统固态电解质（不完全接触界面）和粘性固态电解质（完全接触界面）下负极表面的局部电流密度分布(c)和腐蚀深度分布(d)。e, 使用不同固态电解质的电池循环10次后锂箔负极表面的光学图像及相应的碳摩尔比。f, 不同体系电池在1 C下的循环稳定性对比。g,软包电池首圈充放电曲线。插图：超高负载量(10 mg cm⁻²)硫正极的扫描电镜图像。h, 高负载正极软包电池的长期循环稳定性

高性能固态锂硫电池

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经过线性扫描伏安法测试，该高粘度电解质展现出4.3 V的电化学稳定窗口，这已经完全能够满足高容量锂硫电池的常规运行需求。不仅如此，通过引入低共熔溶剂分子替换原有的增塑剂体系，该聚合物电解质的截止电压可以被进一步拓宽至4.7 V，充分证明了这一高粘度聚合物骨架在适配未来高压正极材料方面的广泛通用性与设计弹性。

在全电池的严苛评估中，采用该体系的固态锂硫电池在经历了0.1 C的低倍率活化后，在1 C的大电流下展现出1003.4 mAh g⁻¹的优异初始放电容量，并且在200次深度循环后，其容量保持率依然高达95.5%，展现出极其缓慢的衰减趋势。形成鲜明对比的是，采用传统刚性聚合物电解质的电池在短短几个循环内就出现了急剧的容量丧失。这种性能崩溃主要归咎于刚性电解质导致的固态接触不良，不仅引发了严重的局部极化和负极腐蚀，更无法适应硫正极在充放电过程中巨大的体积膨胀与收缩。此外，该高粘度体系还展现出了非凡的商业应用潜力。在匹配超高面载量（10 mg cm⁻²）的三维碳毡正极、超薄多孔支撑膜（37 μm厚的电解质层）以及50 μm超薄锂箔的苛刻组装条件下，所制备的软包电池依然能够稳定运转100个循环。尤其值得一提的是，这一切卓越的性能都是在使用未经任何昂贵界面改性的商业化裸锂箔条件下实现的。

综上所述，由高粘度聚合物电解质主导的连续颗粒堆叠沉积模式，为攻克固态锂金属电池的固-固界面物理失效难题提供了一条行之有效的创新路径。它不仅在室温下实现了前所未有的高临界电流密度，保障了极佳的全电池长循环寿命，还彻底规避了传统刚性电解质容易引发的机械形变与接触丢失风险。鉴于该类聚合物材料与多种金属均具备极强的界面粘附特性，这一设计理念未来有望被广泛推广至锌、钠、钾、镁和铝等其他高比能金属负极体系中。

原文参考：Confining lithium in a continuous nucleation state for dendrite-free solid-state lithium metal batteries

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