近日，中国科学院深圳先进技术研究院、深圳理工大学的成会明院士、彭晶副研究员联合我院胡仁宗教授团队，提出了一种面向全固态锂电池应用的新型复合固态电解质的结构设计，成功实现了锂离子快速传导与机械柔性的解耦。该复合电解质在25 °C下实现了高达10.2 mS cm-1的离子电导率，同时能在无压下与电极保持紧密的机械接触。成果论文以“Superionic composite electrolytes with continuously perpendicular-aligned pathways for pressure-less all-solid-state lithium batteries”为题，发表在国际顶级学术期刊Nature Nanotechnology上。
团队研究成果发表在期刊Nature Nanotechnology（自然纳米技术）上
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02106-9
研究背景
全固态锂电池以固态电解质替代传统易燃电解液，具有显著提升安全性和能量密度的潜力。然而，现已开发的固态电解质体系面临一个核心矛盾：无机固态电解质离子电导率高，但电极-电解质之间的固 固界面接触差，通常依赖较大外部压力才能稳定工作，限制了实际应用；聚合物电解质柔性强，界面接触好，但离子电导率偏低。复合电解质虽试图融合两者优势，却始终受困于“离子电导率”与“机械柔韧性”之间的权衡问题。当无机填料含量较低时，复合电解质的室温离子电导率普遍低于1.0 mS cm-1；提高无机相含量虽可提升离子电导率，却会增加成膜难度，且聚合物会破坏无机颗粒间的离子传导通路的连续性。
设计灵感：垂直连续二维离子通道——源于自然的仿生结构
研究团队从自然界生物矿物的精巧构造中获得启发：脆性纳米材料通过有序组装，可形成兼具弹性的宏观结构。基于此，研究团队设计并构筑了一种具有垂直连续二维离子通道的PA LiMPS/PEO复合电解质。该结构由垂直排列的二维超离子导体LixMyPS3（LiMPS，M为Cd或Mn）纳米片层与柔性PEO聚合物层交替堆叠而成，不仅克服了LiMPS纳米片在面内与跨面离子传输的各向异性，更在复合电解质中构建出连续的垂直离子传输通道。同时，柔性PEO聚合物层作为可形变的支撑框架，维持了离子传输通道的结构完整性，从而实现了离子传导与机械柔性之间的高效解耦与协同提升。
PA-LiMPS/PEO复合电解质的结构设计
兼具高离子电导率与良好柔性的优异性能
PA-LiMPS/PEO电解质均呈现PEO层与二维硫化物PA-LiMPS层交替排列的规整结构。PA-LiMPS层平均厚度约15 μm，由多层紧密堆叠的LiMPS纳米片组成。这一结构设计有效解决了锂离子在LiMPS纳米片内传输的各向异性，充分发挥了其面内高离子导率。所形成的二维连续超离子通道使PA-LiCdPS/PEO的室温离子电导率高达10.2 mS cm-1，同类结构下的PA-LiMnPS/PEO离子电导率也达6.1 mS cm-1。此外，两种电解质均表现出类似聚合物的良好柔韧性，有利于与电极紧密接触，与高模量、变形能力极低（<0.5%）的传统无机电解质形成鲜明对比。
PA-LiMPS/PEO电解质的结构表征、离子电导率和机械柔性
无压全固态锂电池的性能验证
PA-LiMPS/PEO电解质对锂金属和高电压正极均表现出优异的电化学稳定性，其电化学稳定窗口达5.0 V（vs. Li+/Li）。该电解质独特的交替垂直结构，可将循环过程中产生的垂直应力转化为横向形变，有效缓冲体积变化、缓解界面应力，从而在极低外部压力（<0.5 MPa）甚至无压（<0.1 MPa）条件下，仍能维持电极-电解质界面的紧密接触。采用该电解质组装的无压软包电池，展现出良好的倍率性能和循环稳定性。相比之下，已报道的高离子电导无机固态电解质通常存在固-固界面接触差的问题，需依赖数MPa至数百MPa的高堆叠压力才能维持循环所需的界面接触。PA-LiMPS/PEO电解质则实现了全固态锂电池在无外加压力下的稳定运行，与传统体系形成鲜明对比。该设计摆脱了外部夹具束缚，为提升能量密度、简化工艺与降低成本提供了新的可行路径。
以PA-LiCdPS/PEO为电解质的全固态锂电池的电化学性能
胡仁宗教授、中国科学院深圳先进技术研究院、深圳理工大学的成会明院士、彭晶副研究员为论文共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院兰雪侠博士后和中国科学技术大学-深圳先进院联合培养硕士生李圳（已毕业，现为华南理工大学材料学院2025级博士生）为该论文共同第一作者。兰雪侠博士后为“博新”计划入选者，是我校2013级材料专业本科生，2017-2022年在我院师从胡仁宗教授硕博连读。其在我院学习期间，先后获得中国材料研究学会科学技术奖-博士生创新奖、中国材料研究学会科学技术奖-基础研究奖一等奖、华港杯•广东大学生材料创新大赛总决赛特等奖等奖项。
本篇新闻稿中关于研究工作的介绍内容参考了中国科学院深圳先进技术研究院公众号上的文稿。（详见：https://mp.weixin.qq.com/s/T4X10KA_jiKkkdqbjk5ZFw?scene=1）