具有连续垂直对齐通道的超离子复合电解质，实现无压全固态锂电池

这项新电池材料为何重要

可充电电池为我们的手机、汽车以及日益增长的电网负载提供动力。许多研究者认为全固态锂电池是比现有液态电池更安全、能量密度更高的继任者，但其固体电解质通常要么在移动锂离子方面速度快，要么在机械上柔韧——很少二者兼顾。本文报道了一种打破该权衡的新型复合材料，指向既高性能又易于制造的固态电池。

固态电池面临的挑战

传统锂离子电池使用易燃的液体电解质在电极间传输锂离子。用固体替代液体可以提升安全性，并允许使用能量密集的锂金属负极。不幸的是，大多数无机固体电解质在传导离子方面很快，但易碎，除非在很高压力下压紧，否则与电极接触不良。相比之下，聚合物电解质柔软且易贴合，但在室温下离子导电率较低。将无机颗粒混入聚合物的复合电解质通常同时继承了两者的问题，迫使工程师在速度与坚固性之间做出选择。

为离子铺设的层状捷径

作者通过构建具有明确内部结构的复合材料来解决该问题。他们使用超薄的硫化物片层材料LiMPS（M为镉或锰），该材料在片层平面内天然地以极高速度传导锂离子，而跨层方向的传导则慢得多。与其将这些片层随机分散在聚合物中，他们将其堆叠成连续层，并与柔韧聚合物聚乙二醇氧化物（PEO）交替。然后将整体切片，使LiMPS片层在电池电极方向上呈垂直排列，从而在电解质厚度方向形成笔直、连续、二维的“高速通道”供离子通过。

借鉴自然的设计技巧

这种结构灵感源自生物材料，例如双壳软体动物Cristaria plicata的铰链，它将刚硬的矿物纤维与柔软的有机层结合，形成既可弯曲又不易断裂的结构。在新型电解质中，紧密排列的LiMPS层承担大部分离子运输，而较软的PEO层吸收机械应力，并在电池充放电过程中帮助固体电解质与电极保持紧密接触。聚合物中的添加剂提高了其柔韧性和粘附性，使层状堆叠更像是一种坚韧的塑料薄膜而非脆性的陶瓷板，尽管其包含高比例的无机导体。

与液态相媲美的性能

通过对超离子LiMPS层进行对齐，研究者在室温下分别实现了镉基版本10.2毫西门子/厘米与锰基版本6.1毫西门子/厘米的离子导电率——这些数值与许多液态电解质相当或更优，远高于典型的聚合物或复合固体。测量与计算模拟显示锂离子优先沿LiMPS层流动，证实了层状结构将离子引导到快速通道。同时，这些膜可被拉伸到较大应变而不断裂，并且在潮湿空气中暴露数日后仍保持其结构与导电性，不像许多硫化物电解质那样会迅速释放有毒的硫化氢气体。

从实验材料到可工作的电池

当被制成锂金属扣式电池时，新电解质在相对较高电流密度下仍能支持长期循环且电压损失很小。在室温下，Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 电池在600次循环后仍保持约92%的原始放电容量，且充放电效率接近完美。关键在于其机械设计使这些固态电池能在几乎无外加压力的情况下工作，包括实用的软包电池格式——这是多数高导电性无机电解质无法实现的。团队还展示了一种以较为丰富的锰替代稀有镉的变体，提升了规模化前景。

这对未来电池意味着什么

简而言之，研究者构建了一种固体电解质，使锂离子沿专门的快车道竞速，而柔性骨架则保持各部分之间温和可靠的接触。通过将离子传输与机械强度解耦，他们的仿生层状设计解决了通向实际全固态锂电池的若干关键障碍：导电率、安全性、空气稳定性和无压运行。尽管仍需进一步的工程和制造工艺开发，这项工作勾勒出了一种在固体内部构建柔性超离子通道的通用方案，使商业化固态电池更进一步。

引用: 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. 21, 388–396 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02106-9

关键词: 固态电池, 锂电解质, 纳米复合材料, 能量存储, 电池安全