成会明院士团队，Nature Nanotechnology！

研究背景

全固态锂电池因其卓越的安全性和能量密度被视为下一代储能技术的关键。然而，当前的固体电解质面临性能权衡，开发一种既能提供高速离子通道又具备良好机械兼容性，且能在无压力条件下运行的复合电解质是该领域的重大挑战。

关键问题

目前，电解质的开发主要存在以下问题：

1、离子传导与机械柔性的本征矛盾

在复合电解质设计中，高无机含量虽能提升电导率，但会降低薄膜的机械加工性并导致离子传输路径不连续，难以同时实现高电荷传输与物理柔韧性。

2、界面接触对高外部压力的依赖

无机固体电解质因其脆性导致固-固界面接触极差，实际应用中往往需要施加几十甚至几百兆帕（MPa）的外部压力，这严重限制了电池的系统能量密度和实用化进程。

新思路

有鉴于此，中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士、彭晶和华南理工大学胡仁宗等人提出了一种复合固体电解质设计，将离子传导与机械柔性解耦，在25 °C下实现了10.2 mS cm⁻¹的高离子电导率，同时保持了与电极的紧密机械接触。该复合结构由垂直排列（PA）的Li₀.₃Cd₀.₈₅PS₃纳米片交替层（建立连续超离子传导路径）和含锂聚乙烯氧化物（PEO）层（确保柔性和界面相容性）组成。在25 °C下，这种PA-Li₀.₃Cd₀.₈₅PS₃/PEO电解质使得Li||LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂扣式电池（组装压力<0.5 MPa）在0.2 mA cm⁻²下循环600次后仍能保持92%的放电容量，平均循环库仑效率为99.9%，并促进了无压力（堆栈压力<0.1 MPa）Li||LiFePO₄软包电池的实际应用。通过在无机硫化物纳米片中用Mn代替Cd产生PA-Li₀.₄₆Mn₀.₇₇PS₃/PEO电解质，进一步验证了这一复合设计策略，其在25 °C下表现出6.1 mS cm⁻¹的离子电导率和良好的机械柔性。

技术方案：

1、制备了PA-LiMPS/聚合物电解质

本研究设计受生物矿物启发的复合电解质，利用二维LixMyPS₃纳米片各向异性传导特性，通过层叠、滚压等工艺制备，实现了高柔性与离子传输优化。

2、表征了PA-LiMPS/PEO电解质的电化学特性

PA-LiCdPS/PEO电解质离子电导率高、温度适应性强、电化学窗口宽、锂沉积稳定性好且空气稳定性优异，克服了传统缺陷。

3、解析了PA-LiMPS/PEO复合电解质中锂离子传导机制

研究表明垂直排列的LiCdPS无机层是锂离子传输的高速通道，PEO聚合物仅起支撑作用，两者协同实现了高效导电。

4、探究了全固态锂电池在PA-LiMPS/PEO电解质下的储能性能

PA-LiMPS/PEO电解质在极低外部压力下，实现了高容量保持率与稳定界面，推进全固态电池商业化。

5、探讨了PA-LiMPS/PEO大规模生产的可行性

研究者开发出无需Li₂S、可在空气中加工的LiMPS电解质制备流程，结合连续喷涂技术实现卷对卷制造，以Mn替代Cd降低成本和环境影响，推动了固态锂电池工业化。

技术优势：

1、通过仿生架构实现了性能解耦

受生物矿物启发，通过构建垂直排列的二维超离子导体与弹性聚合物的交替层状结构，成功解耦了高离子电导率与机械柔性。

2、实现了无压力固态电池运行

凭借出色的界面适应性，该电解质首次实现了全固态电池在低于0.1 MPa（无压力状态）下的长期稳定循环，突破了硫化物电解质对高压环境的依赖。

技术细节

PA-LiMPS/聚合物电解质的制备与结构分析

本研究设计了一种受自然界生物矿物（如帆蛤铰链）启发的复合电解质，核心在于利用二维LixMyPS₃（M=Cd或Mn）纳米片的显著各向异性传导特性。密度泛函理论计算显示，Li⁺在面内的迁移能（0.17 eV）远低于跨面方向（0.38 eV），导致其面内电导率比面间高出数个数量级。为了充分利用这一特性，研究人员通过大规模独立薄膜的层叠、滚压以及垂直切片工艺，制备出PA-LiMPS/PEO电解质。结构分析证实，该电解质由平均厚度为15 μm的PA-LiMPS层与粘性PEO层交替组成，Hermans取向因子低至-0.35，显示出高度的排列有序性。这种独特结构通过弹性PEO层吸收循环应力，将垂直应力转化为侧向变形，从而避免了脆性无机层的断裂，使复合材料获得了高达330%的拉伸应变和类似聚合物的优异柔性。这种结构设计不仅解决了离子传输的各向异性问题，还为维持紧密的电极接触奠定了物理基础。

图  二维LiMPS中Li⁺导电的各向异性及二维CSCP的构建

PA-LiMPS/PEO电解质的电化学表征

电化学性能测试表明，PA-LiCdPS/PEO电解质在25 °C下的离子电导率高达10.2 mS cm⁻¹，比无序分布的RA型电解质高出三个数量级。这种超离子传导能力在-60 °C至60 °C的宽温度范围内均能保持，其活化能仅为0.24 eV。在稳定性方面，PA型电解质表现出高达5.0 V的宽电化学窗口，显著拓宽了高压正极材料的应用可能。此外，该电解质在对称锂电池中展现了卓越的锂沉积/剥离稳定性，在0.5 mA cm⁻²下能稳定循环1500小时，且极化电压仅为18 mV。特别值得一提的是其优异的空气稳定性，LiMPS材料在潮湿空气中暴露7天后，其H₂S释放量几乎可以忽略不计（低于1.5×10⁻⁹ ppm），电导率保持率极高。这一特性克服了传统硫化物电解质易水解产生毒性气体的致命缺陷，极大简化了其制备与存储条件。

图  PA-LiMPS/PEO复合电解质的结构、形态及基本电化学性能

PA-LiMPS/PEO复合电解质中锂离子传导机制的研究

研究人员通过⁶Li/⁷Li同位素替代实验和固态核磁共振（ssNMR）技术，深入阐明了Li⁺的优先传导路径。在⁶Li||⁶Li对称电池循环后，TOF-SIMS成像显示⁶Li⁺主要集中在垂直排列的LiCdPS层中，而PEO层中的信号显著较弱，直接证明了Li⁺优先沿无机超离子通道传导。ssNMR分析进一步证实，循环后LiCdPS层的⁷Li⁺峰消失并被⁶Li⁺取代，而PEO层的信号基本保持不变，表明PEO区域几乎不参与快速离子传输。此外，COMSOL多物理场模拟显示，由于PA结构的垂直连续性，其电流分布高度集中在无机纳米片区域，模拟得到的电流密度比RA结构高出三个数量级。这些结果一致证明，PA-LiMPS层在复合体系中扮演了“离子高速公路”的角色，而聚合物则作为弹性支撑框架，两者分工协作，实现了高效的电荷传输。

图  含LiTFSI盐的PA-LiCdPS/PEO和RA-LiCdPS/PEO复合电解质的电化学性能

全固态锂电池在PA-LiMPS/PEO电解质下的储能性能

在实际全固态电池测试中，PA-LiMPS/PEO电解质展现了优异的性能和界面兼容性。在极低的外部压力（<0.5 MPa）下，Li||LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂扣式电池在0.2 mA cm⁻²下循环600次后容量保持率高达92%，且库仑效率稳定在99.9%。针对能量密度更高的Li||LiFePO₄软包电池，在几乎无压力（<0.1 MPa）的条件下，该系统仍能表现出显著的倍率性能，循环200次后保持89%的容量。这一成果彻底改变了高传导硫化物固态电池必须依赖高压（通常需数十至数百MPa）才能运行的现状。通过弹性PEO层的体积补偿作用，电解质与电极之间形成了化学稳定且物理紧密的界面，有效抑制了循环过程中的极化增长。这种能在常规封装压力下工作的固态电池，为全固态电池的轻量化设计和商业化生产扫清了主要障碍。

图  含LiTFSI盐的PA-LiCdPS/PEO电解质中Li⁺传导途径的物理化学研究

PA-LiMPS/PEO大规模生产的可行性探讨

考虑到工业化前景，研究者提出并验证了一种具有扩展性的制备流程。与常规硫化物电解质依赖昂贵且敏感的Li₂S不同，LiMPS的合成步骤无需Li₂S，且所有加工步骤均可在环境空气中完成。尽管层叠切割工艺在实验室阶段有效，但为了满足大规模生产需求，研究团队开发出一种连续喷涂技术，可将LiMnPS纳米片直接沉积在PEO膜上，从而实现了卷对卷式的制造潜力。锰（Mn）作为Cd的替代元素，具有极高的元素丰度和低环境影响，这使得PA-LiMnPS/PEO体系更符合大规模商业应用的要求。这些实用性的技术改进，结合材料本身的优异稳定性，表明该仿生复合电解质不仅在实验室表现卓越，更具备向下一代高能量密度固态锂电池工业化转化的巨大潜力。

图  电化学性能

展望

本文通过仿生设计，成功开发了一种具有垂直排列超离子通道的复合电解质，实现了常温高电导率（10.2 mS cm⁻¹）与优异机械柔性的解耦。该电解质不仅具备卓越的空气稳定性和电化学稳定性，更重要的是，它实现了固态电池在低压甚至无压力下的稳定循环，解决了长期困扰固态电池发展的界面接触与系统压力难题。这一成果为高性能全固态锂电池的实用化提供了全新的设计思路和可靠的技术路径。

参考文献：

Lan, X., Li, Z., Zhao, C. et al. Superionic composite electrolytes with continuously perpendicular-aligned pathways for pressure-less all-solid-state lithium batteries. Nat. Nanotechnol. (2026). 

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