富锂空间电荷层激活界面锂离子传输通道构建高性能固态锂金属电池

针对复合固态电解质(CSEs)中锂贫乏空间电荷层(SCLs)阻碍Li+传输的难题，研究人员通过Bi2O3诱导构建富锂SCLs，实现LLTO/PVDF-HFP界面离子电导率提升至1.63 mS cm?1，锂迁移数达0.80。该设计同步优化了阴极/CSE界面传输，使LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2电池循环200次容量保持率达86.1%，为高性能固态电池开发提供新范式。

　　

随着能源存储需求爆发式增长，固态锂电池(SSLBs)因其高能量密度和本征安全性成为研究热点。然而，传统固态电解质面临"两难困境"——无机陶瓷电解质虽离子电导率高但脆性大，聚合物电解质柔韧性佳却导电性能差。复合固态电解质(CSEs)试图取二者之长，但界面处的空间电荷层(SCLs)形成锂离子"传输屏障"，导致实际性能远低于理论值。更棘手的是，阴极与电解质界面(IC-C)同样存在SCLs问题，犹如在电池内部筑起"双重关卡"。如何突破这些界面壁垒，成为实现SSLBs商业化应用的关键科学难题。

针对这一挑战，四川大学的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表创新成果。他们巧妙利用Bi₂O₃的半导体特性与介电性能，在LLTO(钛酸镧锂)填料与PVDF-HFP(聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)基体界面构建富锂空间电荷层，成功激活"锂离子高速通道"。这种命名为PHBT的复合电解质，不仅实现1.63 mS cm^?1的超高室温离子电导率，更将锂迁移数提升至0.80，较传统材料有2-3倍提升。搭载LiNi_0.9Co_0.05Mn_0.05O₂高电压阴极的全电池展现181.2 mAh g^?1的优异容量，200次循环后容量保持率高达86.1%，为SSLBs界面工程提供全新解决方案。

研究团队采用多尺度表征与理论计算相结合的策略：通过开尔文探针力显微镜(KPFM)解析界面电势分布，结合电化学阻抗谱(EIS)量化界面传输阻力；利用第一性原理计算揭示Bi₂O₃调控SCLs的电子结构机制；采用对称电池和全电池体系评估实际电化学性能。

【Results and discussion】

1. 界面设计原理：通过引入Bi₂O₃-LLTO耦合填料，在填料/聚合物界面(IF-P)形成θ_Li⁺>0的富锂SCLs，突破传统锂贫乏界面(θ_Li⁺<0)的限制。
2. 离子传输增强：PHBT的Arrhenius曲线显示0.21 eV的低活化能，证实界面能垒显著降低。
3. 介电场效应：Bi₂O₃在IC-C界面产生内建电场，抑制阴极侧SCLs形成。

【Conclusions】
该研究开创性地提出"富锂SCLs"界面调控策略，通过Bi₂O₃半导体与介电双功能协同，实现IF-P和IC-C双界面的同步优化。PHBT电解质展现的1.63 mS cm^?1电导率已接近液态电解质水平，而0.5 mA cm^?2下超1000小时的锂对称电池循环稳定性，更彰显其产业化潜力。特别值得注意的是，这种"界面锂离子富集"策略具有普适性，可拓展至LLZO(锂镧锆氧)等其他快离子导体体系，为发展下一代固态电池提供全新方法论。

这项由Xi He、Ziqi Liu等学者完成的研究，不仅解决了CSEs领域长期存在的界面传输瓶颈，其提出的θ_Li⁺>0调控模型更为材料设计提供定量化指导。国家自然科学基金(22408239)等项目的支持，体现了该研究在国家能源战略布局中的重要意义。随着对SCLs动力学认识的深入，这种"电子-离子耦合调控"的创新思路，或将引领固态电解质设计的新范式。