近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室刘利峰研究员团队联合华南师范大学舒东教授、南京信息工程大学张磊教授团队，在低成本、可规模化固态复合电解质研究方面取得进展。研究团队选用商业高碱玻璃纤维（GF）隔膜作为多功能骨架，通过原位聚合构筑玻纤支撑固态复合电解质（GF-SCE），利用高碱硅酸盐玻璃自身的表面化学和多级孔结构，使传统以机械支撑为主的纤维骨架进一步参与锂盐解离、离子输运和界面调控。相关成果以“From Glass Waste to High-Performance Solid Composite Electrolytes for Sustainable Solid-State Lithium Batteries”为题发表于《Advanced Functional Materials》。
固态锂电池在提升安全性和能量密度方面具有潜力，但其进一步发展不仅取决于电解质的电化学性能，也受到材料成本、制造工艺和规模化适配能力的制约。现有固态复合电解质（SCE）常采用多孔纤维作为支撑骨架，但聚丙烯纤维、纤维素纤维等常用骨架自身化学活性有限，主要承担结构支撑作用。如何在不显著增加材料和工艺复杂度的前提下，使骨架同时参与离子输运和界面调控，是该类电解质进一步优化的重要问题。针对这一问题，研究团队重新挖掘成熟工业高碱玻璃纤维的功能价值。该类玻璃纤维由多组分硅酸盐网络构成，其中Na2O和K2O总含量为14.53 wt.%。碱金属调节形成的极性表面环境，与GF高孔隙率、低曲折度的纤维网络相结合，可改善电解质前驱液浸润，并促进锂盐解离和Li离子迁移。基于此，团队将PEGDA/LiTFSI/FEC前驱体系原位固化于GF骨架内部，形成兼具结构支撑、离子调控和界面稳定作用的GF-SCE（图1）。
图1. 高碱玻璃纤维支撑固态复合电解质的制备、结构及功能设计
系统表征与理论计算进一步揭示了“活性骨架”的作用机制（图2）。GF-SCE在25 ℃下的离子电导率达到5.89×10−4 S cm−1，Li+迁移数为0.44。Raman光谱、DFT计算以及低碱玻纤对照实验共同表明，高碱硅酸盐表面的化学环境能够增强LiTFSI与骨架的相互作用并促进锂盐解离；同时，多级孔结构提供较低曲折度的连续传输路径。GF骨架还赋予复合膜较好的热机械稳定性，使离子传输与结构稳定得到协同改善。
图2. GF-SCE的热机械性能、离子输运及高碱玻璃表面调控锂盐解离的机制分析
在电池验证中，采用GF-SCE的Li||Li对称电池可稳定运行超过1000 h，并形成以LiF为主的稳定界面。该电解质可适配LFP、NCM811及超高镍NCM96正极，其中NCM96||GF-SCE||Li电池的工作上限可拓展至5.0 V；在50 ℃、0.05 C条件下，放电比容量达到253.6 mAh g−1（图3）。研究团队进一步完成了NCM96||GF-SCE||Li软包电池验证，显示出该体系向较大尺寸电池延伸的可行性。
图3. GF-SCE在高电压NCM96锂金属电池及软包电池中的电化学性能
除性能外，该工作还从制造和成本角度评估了GF-SCE的应用潜力（图4）。基于材料成本的估算，其膜材料成本约为 $8.98–$17.15 m−2；制备过程可在较低温度下完成，并具有无溶剂、卷对卷加工的潜力，无需氧化物固态电解质常见的高温烧结，也避免了部分硫化物和卤化物固态电解质体系所需的空气敏感加工条件。
图4. GF-SCE与不同固态电解质的综合性能和成本比较
该研究将固态复合电解质中纤维骨架的功能由“被动支撑”进一步拓展至“主动调控”，通过高碱硅酸盐表面化学与多级孔结构协同作用，在较低材料成本和相对温和的工艺条件下兼顾离子输运、界面稳定和高电压适配性，为利用成熟工业纤维材料构筑可规模化固态复合电解质提供了新的设计思路。
该工作由松山湖材料实验室、中国科学院物理研究所、华南师范大学、南京信息工程大学和中国科学院东莞材料科学与技术研究所合作完成。中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室助理研究员张伟财、华南师范大学硕士研究生卢景城和南京信息工程大学硕士研究生陈学肖为论文共同第一作者，华南师范大学舒东教授、南京信息工程大学张磊教授和刘利峰研究员为论文通讯作者。研究工作得到科技部海外高层次人才引进计划、松山湖材料实验室启动经费、中国博士后科学基金和广东省基础与应用基础研究基金等项目支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77793
来源：新能源材料研究部
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