全固态锂电池因其高安全性和高能量密度的潜力，被视为下一代储能技术的有力竞争者。然而，现有的固态电解质在离子电导率与机械性能之间往往面临着难以调和的矛盾：无机固态电解质虽然离子传输快，但界面接触差，通常需要施加巨大的堆叠压力（数兆帕至数百兆帕）来维持离子通路；聚合物电解质虽然柔韧性好，但室温离子电导率过低。
针对这一痛点，来自中国科学院深圳先进技术研究院和华南理工大学的研究团队提出了一种仿生复合电解质设计策略。该设计通过构建交替排列的垂直取向（PA）硫化物纳米片层和聚合物层，成功解耦了离子传导与机械柔性，在无需施加额外压力的情况下实现了高性能的全固态电池运行。
仿生结构设计与连续离子通道构建
Millennial Lithium
研究灵感来源于具有高抗疲劳性的天然生物矿物结构（如褶纹冠蚌的铰链）。研究人员利用二维硫化物LiCdPS纳米片作为超离子导体，聚环氧乙烷 (PEO)作为弹性基质。与传统的将无机填料随机分散在聚合物中的设计不同，该团队采用流延-层压-切割工艺，制备了具有连续超离子传输通道 (CSCPs)的 PA-LiCdPS/PEO 复合电解质。
二维 LiMPS 中 Li+ 传导的各向异性及二维连续超离子传输通道（CSCPs）的构建
如图所示，二维 LiMPS 材料具有显著的各向异性，其面内 Li+ 迁移能（0.17 eV）远低于面外迁移能。通过将纳米片垂直于电极取向排列，锂离子可以直接沿低阻抗的面内路径传输，避免了在聚合物基体中频繁穿越的高迂曲度路径。
结构表征与离子电导率的飞跃
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微观结构表征证实了设计的成功。飞行时间二次离子质谱 (TOF-SIMS)和广角X射线散射 (WAXS)结果显示，PA-LiCdPS/PEO 电解质内部形成了高度有序的层状结构。
PA-LiMPS/PEO 复合电解质的结构、形貌及基础电化学表征
得益于这种独特的架构，PA-LiCdPS/PEO 电解质在 25°C 下的离子电导率高达10.2 mS/cm，这一数值比随机取向的复合电解质高出三个数量级，甚至可与液态电解质媲美。同时，PEO 层提供了优异的机械柔性，使其能够适应电极在循环过程中的体积变化，保持紧密的固-固界面接触。
电化学稳定性与空气稳定性
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除了高电导率，该复合电解质还表现出优异的稳定性。它具有高达 5.0 V（vs. Li/Li+）的电化学窗口，远超纯 PEO 电解质。更重要的是，相比于传统的硫化物电解质（如 LGPS, Li6PS5Cl）在空气中极易水解产生有毒的 H2S 气体，LiCdPS 和 LiMnPS 材料表现出卓越的空气稳定性。
含 LiTFSI 盐的 PA-LiCdPS/PEO 和 RA-LiCdPS/PEO 复合电解质的电化学表征
上图展示了该电解质在潮湿空气中暴露 7 天后，释放的 H2S 极低，且电导率无明显衰减。这种特性极大地降低了全固态电池对生产环境极其严苛的要求。
优异的全固态电池性能
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该技术的最大亮点在于实现了“无外压”条件下的稳定循环。在堆叠压力小于 0.5 MPa 的条件下，组装的 Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) 扣式电池在 0.2 mA/cm2 下循环 600 次后，容量保持率高达 92%，平均库伦效率为 99.9%。
25°C 下电池的电化学性能
更为关键的是，研究团队制备了 Li||LiFePO4 (LFP)软包电池，并在几乎无外压（<0.1 MPa）的条件下进行了测试。电池表现出优异的倍率性能和循环稳定性（200次循环后容量保持率89%）。这与通常需要数十兆帕压力的硫化物全固态电池形成了鲜明对比，极大地推动了全固态电池的实用化进程。
为了进一步验证该策略的普适性和经济性，研究团队还开发了基于锰的PA-LiMnPS / PEO电解质。由于锰元素储量丰富且无毒，该材料更具规模化应用潜力，其室温离子电导率也达到了 6.1 mS/cm。
这项工作通过巧妙的结构设计，利用垂直取向技术构建了连续的超离子传输通道，成功解决了复合固态电解质中高电导率与良好机械性能不可兼得的难题。其优异的空气稳定性、宽电化学窗口以及在无外压条件下的出色表现，为高能量密度、高安全性的全固态锂电池商业化应用提供了一条极具前景的技术路线。
原文参考：Superionic composite electrolytes with continuously perpendicular-aligned pathways for pressure-less all-solid-state lithium batteries