纳米固态电解质颗粒复合凝胶聚合物电解质的设计及其在高功率锂离子电池中的应用研究

为解决传统液态电解质易燃泄漏及固态电解质高倍率性能不足的问题，研究人员开发了含50 nm Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3（nano-LATP）的复合凝胶聚合物电解质（CGPEs）。通过机械-电化学耦合模型优化填料尺寸，结合创新的溶胶-聚合物合成法，实现了离子电导率提升至10?3 S/cm，Li||CGPE||Li对称电池在2 mA cm?2下稳定循环250小时，LTO||NMC811全电池在4C倍率下循环500次容量保持率达85%，为高功率安全电池提供新方案。

　　

随着智能手机和电动汽车的快速发展，锂离子电池（LIBs）的高能量密度特性使其成为二次电源市场的主导者。然而，液态电解质的易燃易泄漏问题，以及固态电解质在高倍率（>2C）下的离子传输瓶颈，严重制约了电池的安全性和功率性能。传统聚烯烃隔膜易被锂枝晶穿透，而无机固态电解质虽能提升安全性，但其刚性结构和低离子电导率导致电池容量快速衰减。在这一背景下，兼具聚合物柔韧性和无机填料稳定性的复合凝胶聚合物电解质（Composite Gel-Polymer Electrolytes, CGPEs）成为研究热点。

俄罗斯科学基金会资助的研究团队通过机械-电化学连续介质模型，首次系统揭示了陶瓷填料尺寸对CGPEs性能的影响规律。研究发现，50 nm的Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃（nano-LATP）颗粒可显著降低欧姆损耗并增强机械强度。团队创新开发的溶胶-聚合物合成法，仅需30分钟即可制备高纯度纳米LATP，比传统固相法快一个数量级。将nano-LATP掺入聚环氧乙烷（PEO）/聚偏氟乙烯（PVDF）基体后，形成的复合隔膜经液态电解质浸润制得CGPEs。该成果发表于《Journal of Energy Storage》。

关键技术包括：（1）通过固相反应和溶胶-聚合物法分别合成300 nm和50 nm LATP颗粒；（2）建立应力-应变模型与锂离子通量耦合的仿真体系；（3）采用聚乙烯氧化物（PEO）调控PVDF基膜的孔隙结构；（4）组装Li||CGPE||Li对称电池和LTO||NMC811全电池评估电化学性能。

合成LATP颗粒的优化条件
XRD和拉曼光谱证实固相法合成的LATP为纯NASICON（钠超离子导体）结构，而溶胶-聚合物法获得的50 nm颗粒具有更高结晶度。TEM显示纳米颗粒分布均匀，比表面积达48 m²/g，远优于微米级填料。

电化学性能突破
含nano-LATP的CGPEs离子电导率达3.2×10^?3 S/cm。对称电池在2 mA cm^?2和3 mAh cm^?2条件下循环250小时无极化，而LTO||NMC811全电池在4C倍率下容量保持率85%，10C倍率时仍保持78%初始容量，远超商用隔膜电池。

结论与意义
该研究通过理论模拟与实验验证，阐明纳米LATP填料可同步提升CGPEs的机械强度（弹性模量增加40%）和离子传输效率（界面阻抗降低60%）。创新的快速合成工艺为规模化生产奠定基础，所开发的CGPEs在保持安全性的同时突破高倍率性能瓶颈，为动力电池和储能系统提供重要技术路径。论文共同第一作者Kirianova A.V.和Yakovlev I.I.指出，该方法可扩展至其他NASICON型电解质（如Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃），推动下一代高功率电池发展。