云大-郭洪团队︱高性能全固态锂金属电池---双盐策略创造静电屏蔽效应，助力锂离子均匀沉积

锂金属电池因其高容量密度（ 3860 mAh g ⁻¹ ）再次受到关注，但锂枝晶生长引起的电池短路、泄漏、爆炸等安全问题仍未解决。全固态电池有望成为解决上述问题的最佳方案。在相关聚合物中，值得注意的是，聚乙烯氧化物电解质（ PEO ）具有韧性好、成本低、制备简单等优点，具有较高的实际应用价值。尽管 PEO 电解质具有许多优点，但低离子输运、高结晶度，机械强度不够和界面不稳定等关键问题仍然是其在全固态电池中实际应用的障碍。将聚合物和陶瓷进行复合能有效解决聚合物电解质应力不足问题。 然而，现有的聚合物 - 陶瓷固态电解质（ PCSE ）存在离子电导率低、界面稳定性差等问题，限制了其实际应用。针对这一类问题，调整锂盐结构，改变锂离子的配位环境不失为一种简单且高效的方法。

近日，云南大学国际先进能源材料联合研究中心的研究团队 提出了一种通过双盐策略创造静电屏蔽效应的方法，成功解决了全固态锂金属电池中锂离子沉积不均匀的问题，为高性能全固态锂金属电池的研发提供了新思路。 研究团队采用聚环氧乙烷（ PEO ） -Li _1.5 Al _0.5 Ge _1.5 (PO ₄ ) ₃ （ LAGP ）电解质模型，并引入 K ⁺ 制备了双盐复合聚合物固态电解质。通过理论计算和实验验证，发现 K ⁺ 在电场作用下会在界面处积累，产生静电屏蔽效应，引导 Li ⁺ 均匀沉积。此外， K ⁺ 与 TFSI ^- 和 Li ⁺ 之间的竞争配位作用促进了 TFSI- 和 PF6- 的原位分解，形成富含 LiF-Li ₃ N-Li ₂ O 的低阻抗 SEI 层。 K ⁺ 的静电屏蔽效应有效抑制了锂枝晶的生长，实现了锂离子的均匀沉积。对称电池在 0.2 mA/cm ² 的电流密度下稳定循环 1000 小时，未发生短路。 PLKLE 电解质与磷酸铁锂（ LFP ）和高电压镍钴锰酸锂（ NCM811 ）正极材料均具有良好的兼容性。在 60°C 下， LFP 电池在 0.5 C 的电流密度下循环 200 次后容量保持率为 89% ； NCM811 电池在 0.5 C 的电流密度下循环 200 次后容量保持率为 83.5% 。相关成果发表于 Energy Storage Materials 。

三、研究内容：

1、 双盐复合固态电解质的 设计

通过直接向复合固态电解质中引入 K ⁺ 的方法构建双盐聚合物固态电解质。由于在低浓度下的 K ⁺ 有比 Li ⁺ 更低的有效还原电位，因此在充放电过程中 K ⁺ 倾向于在界面处聚集，产生静电屏蔽效应，引导 Li+ 均匀沉积。此外， K ⁺ 与 TFSI ^- 和 Li ⁺ 之间的竞争配位作用促进了 TFSI ^- 和 PF ₆ ^- 的原位分解，形成富含 LiF-Li ₃ N-Li ₂ O 的低阻抗 SEI 层。

Scheme 1 . The schematic illustration of the regulatory role of K ⁺ in composite solid-state electrolytes depicts the composition of the SEI layer formed at the interface during battery charge and discharge processes, as well as the interaction between K ⁺ and Li ⁺ .

Fig. 1. a) XRD patterns of CSEs. b) DSC curves of PL, PLL, PLLE, and PLKLE. c) AFM deformation images of PLLE and PLKLE. TG curves of d) PL and e) PLKLE. f) Puncture curves of CSEs. g) Stress-strain curves of CSEs. h) FT-IR spectra for retrieving conformations of PL, PLL, PLLE, and PLKLE. i) Raman spectra of PLLE and PLKLE.

Fig. 2. a) Schematic diagram of lithium ion transport inside electrolyte . b)  Curves of ionic conductivities with temperature of PL and PLKLE, and c) the corresponding Arrhenius plots. d) Direct current polarization curves of PL and PLKLE, and e) the corresponding Nyquist plots. f) LSV plots of CSEs. g) The change of redox potential of K ⁺ /K, Rb ⁺ /Rb, and Cs ⁺ /Cs. h) First-cycle of Li/CSE/SS. i) CV curves of Li/PLKLE/SS cell.

2、优异的电化学性能以及对锂枝晶成功抑制

复合固态电解质 表现出了出 色 的电化学性能。 PLKLE 电解质具有较高的离子电导率和较宽的电化学窗口。同时， Li| PLKLE |Li 电池表现出 了稳定的循环性能 。此外通过原位 光学显微镜 技术证实了 在 K ⁺ 形成的静电屏蔽效应能促进 Li ⁺ 均匀沉积 。

Fig. 3. Schematic diagram of dendrite growth principle of a) Li/PP/Li and b) Li/PLKLE/Li cells. Optical microscopy observation of the Li plating in c) Li/PP/Li and d) Li/PLKLE/Li. Critical current density of e) Li/PP/Li and f) Li/PLKLE/Li. g) Galvanostatic cycling performance and enlarged view of Li/PLL/Li and Li/PLKLE/Li at 0.2 mA cm ^{− 2} _. h) Cyclic performance comparison diagram.

Fig. 4 . a) Battery cycle diagram. Charge and discharge curves of b) LFP/PLKLE/Li and NCM811/PLKLE/Li during cycling. d) Rate performance of LFP/PLKLE/Li. e) Cycle performance of LFP/PLKLE/Li. f) Rate performance of NCM811 /PLKLE/Li. g) Cycle performance of NCM811/PLKLE/Li.

3、 飞行时间二次质谱和分子动力学模拟电解质内部分子和离子的状态

通过对循环后的固态电解质和锂金属负极分别进行飞行时间二次质谱测试，可以得到循环后锂金属与电解质界面之间 SCI 的组成成分信息。

Figure 5. a) TOF-SIMS depth profiles for the cycled PLKLE and the corresponding cycled Li anode. b) 3D view of fragments (Li ₂ F ⁺ , NSO ₂ CF ₃ ^{2 −} ) distribution of cycled PLKLE and corresponding Li anode, and 3D view of ions (K ⁺ ) and some decomposition products (PF ₅ ^- , LiCN ⁻ , and Li ₃ O ⁺ ) distribution of cycled Li anode. Schematic diagram of SEI material composition on the surface of lithium negative electrode of c) PL and d) PLKLE. e) F 1s and C 1s XPS spectra of cycled Li anode of Li/PL/Li. f) F1s and C1s XPS spectra of cycled Li anode of Li/PLKLE/Li.

Authors: Li Yang, Lilian Wang , Qingxia Hu, Mou Yang, Guiquan Zhao, Yunchun Zha, Qi An * , Qing Liu , H aijiao Xie, Yongjiang Sun, Lingyan Duan, Xiaoxiao Zou * , Genfu Zhao, and Hong Guo*

Title: Creating electrostatic shielding effects through dual-salt strategy to regulate coordination environment of Li⁺ and realize high-performance all-solid-state lithium metal batteries

Published in: Energy Storage Materials , doi: 10.1016/j.ensm.2025.104210

【通讯作者简介】

郭洪 ，云南大学教授，博士生导师，博士后合作导师， 享受云南省政府津贴的专家学者，云南大学东陆学者，中国硅酸盐学会固态离子学分会理事（CSSI），国际能源与电化学科学研究院(IAOEES理事，国际电化学会（ISE）会员。主持973计划课题、国家自然科学基金、云南省重大科技专项、云南省及教育部重点项目等20余项省部级及以上课题。 主要从事电化学储能及环境催化研究。 以第一作者及通讯作者在 Adv. Mater.，Angew Chem. Int. Edit., Mater. Today. 等学术期刊发表论文1 5 0余篇，引用超过 7 000次。申请及授权30余项中国发明专利

【课题组招聘】

云南大学郭洪教授课题组常年招收二次电池关键技术及光、电催化方向师资（科研）博士后及优秀青年学者。

联系邮箱： [email protected]

感谢您的关注 ！

关于我们

主营业务： 论文配图与期刊封面制作 、 文献解读的科普动画制作 、 期刊论文语言润色与内容指导 。 投稿荐稿、发布招聘、商务合作、业务咨询等，可扫码联系小编，添加请备注： 姓名+单位+需求 。

网址：www.kejiangculture.com

邮箱：[email protected] (编辑部)、[email protected] (设计部)