两性分子痕量填充策略实现高容量长循环全固态锂铁氟转换电池

为解决PEO基固态聚合物电解质(SPE)离子电导率不足、锂枝晶不可控生长等问题，中国科学院团队创新性引入两性分子L-半胱氨酸(LCy)作为痕量(1 wt%)填料。该策略通过Lewis酸碱协同作用促进Li盐解离，构建氢键网络提升界面稳定性，使电解质离子电导率达0.54 mS cm?1（60℃），锂对称电池实现1400 h稳定循环，Li‖FeF3全电池展现567 mA h g?1高容量和700次循环性能，为高能量密度全固态电池开发提供新思路。

　　

锂金属全固态电池被视为下一代高能量密度储能系统的突破口，但其核心组件——固态聚合物电解质(SPE)的发展正面临两大技术瓶颈：以聚氧化乙烯(PEO)为代表的基质材料存在室温离子电导率低(<10^?4 S cm^?1)、结晶区阻碍离子传输等问题；传统填料策略虽能提升性能，但需添加10 wt%以上无机填料，易引发颗粒团聚、重力分离及界面接触恶化。更棘手的是，当匹配理论容量达712 mA h g^?1的氟化转换型正极(如FeF₃)时，电解质-电极界面兼容性差会导致活性物质溶解和氟流失，严重制约电池循环寿命。

针对这些挑战，中国科学院团队在《Journal of Energy Chemistry》发表创新研究，提出"两性分子痕量填充"新策略。研究人员选用生物源性分子L-半胱氨酸(LCy)作为多功能填料，其分子结构中同时含有碱性氨基(–NH₂)、酸性羧基(–COOH)和巯基(–SH)，仅需1 wt%添加量即可实现四重功效：通过Lewis酸碱协同促进锂盐(LiTFSI)解离增加自由Li⁺浓度；与PEO形成氢键网络抑制结晶；–SH基团构建稳定固态电解质界面(SEI)；三维交联提升机械强度。

研究采用溶液浇铸法制备PEO-LCy复合电解质膜，通过电化学阻抗谱(EIS)、线性扫描伏安法(LSV)等系统表征材料性能。分子动力学模拟揭示LCy的–NH₂与Li⁺配位、–COOH与PEO氧原子形成氢键的协同机制。同步辐射X射线吸收谱(XAS)证实界面处形成富含Li₂S/Li₃N的导锂层。

研究结果显示：在60℃下，PEO-LCy的离子电导率提升至0.54 mS cm^?1，Li⁺迁移数达0.68。锂对称电池在0.2 mA cm^?2电流密度下实现1400小时无枝晶循环，临界电流密度提升至1.4 mA cm^?2。匹配FeF₃正极的全电池在0.2C倍率下释放567 mA h g^?1的可逆容量，700次循环后容量保持率超过80%。即使采用薄电解质膜(50μm)和软包电池设计，仍能保持稳定的Li-Fe-F转换反应。

该研究的突破性在于：首次将两性分子作为"分子级填料"应用于SPE，通过微量添加(1 wt%)实现传统策略10倍填料量的效果；提出的"酸碱协同-氢键网络"双机制为电解质设计提供新范式；开发的PEO-LCy电解质兼具高离子电导率和界面稳定性，推动全固态电池从实验室走向产业化。特别值得注意的是，LCy的生物相容性和低成本特性(价格不足LLZO填料的1/100)使其具备大规模应用潜力，为解决固态电池"高成本-低性能"矛盾开辟了新路径。

研究结论部分强调，这种痕量填充策略成功突破了填料"添加量-均匀性"的权衡关系，通过分子设计实现填料性能的最大化。讨论中指出，LCy的巯基在循环过程中会动态转化为Li₂S界面层，这种自修复特性是长循环稳定的关键。该工作不仅为全固态电池电解质设计提供了新材料体系，其"微量生物分子调控"的思路对其它能源器件界面工程也具有借鉴意义。