由于復合固態電解質不同相之間空間電荷層有差異和可移動的Li⁺濃度較低，導致其離子電導率不能滿足固態鋰金屬電池的應用要求。

在此，清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授和賀艷兵教授，中國科學院大連化學物理研究所鐘貴明副研究員等人提出了一種通過耦合陶瓷介質和電解質來創建高通量的Li⁺傳輸路徑的策略，以克服復合固態電解質的低離子電導率的難題。

通過合成聚（偏氟乙烯）基質和具有定向異質結結構的BaTiO₃-Li_0.33La_0.56TiO_3-x納米線（PVBL），構建了一種高導電和介電的復合固態電解質。其中，極化介質BaTiO₃極大地促進了鋰鹽的解離，產生更多可移動的Li⁺，其自發地通過界面轉移到耦合的Li_0.33La_0.56TiO_3-x，以實現高度高效的輸運過程。

同時，BaTiO₃-Li_0.33La_0.56TiO_3-x有效地抑制了聚（偏氟乙烯）的空間電荷層的形成。結果表明，這些耦合效應有助于PVBL在25℃下獲得8.2×10^-4 S cm^-1的高離子電導率和0.57的Li⁺轉移數。

此外，PVBL還均勻化了界面電場。進一步組裝的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/PVBL/Li固態電池在電流密度為180 mA g^-1的情況下能穩定循環1500次，而且相應的軟包電池也表現出優異的電化學和安全性能。

相關文章以“A dielectric electrolyte composite with high lithium-ion conductivity for high-voltage solid-state lithium metal batteries”為題發表在Nature Nanotechnology上。

通過靜電紡絲和退火工藝合成了BTO與LLTO摩爾比為1：5的BTO-LLTO納米線，SEM圖像顯示BTO-LLTO納米線具有直徑約為250nm的并排結構，高分辨率透射電子顯微鏡圖像進一步證明了BTO和LLTO納米線的并排耦合結構。

同時，由聚焦離子束制備的BTO-LLTO的高分辨率透射電子顯微鏡圖像顯示了典型的異質結結構，含有15 wt% BTO-LLTO納米線的PVBL在25℃時表現出最高的離子電導率，這比其他報道的基于PVDF的電解質大得多。

此外，選擇PVDF、含15 wt%BTO納米線的PVDF和僅含15 wt%LLTO納米線的PVDF作為對照樣品。由于LLTO和BTO對PVDF的高吸附能，PVBL表現出比PVDF更緊湊的結構，BTO-LLTO納米線均勻分散在PVDF中。

圖1.?BTO-LLTO納米線和PVBL電解質的表征

在10 Hz和25℃條件下，PVDF、PVB、PVL和PVBL的ε_r值分別為11、27、18和24，BTO的加入明顯提高了CSE的ε_r。通常，PVBL在25°C下的離子電導率遠遠大于PVDF、PVL和PVB。

加入BTO-LLTO后，PVBL中離子遷移的活化能（E_a）從0.34（PVDF）降低到0.20eV。電化學穩定窗口延長至4.8 V，表明與高鎳正極的相容。此外，PVBL的Li⁺遷移數從PVDF的0.22增加到0.57，而加入BTO和LLTO納米線的離子電導率要低得多。

圖2.?PVBL電解質的物理和鋰枝晶抑制性能

圖3. PVBL電解質中鋰鹽的解離和離子轉運輸運的表征

圖4.?PVBL電解質的離子轉運機理分析

圖5.?全電池性能分析

圖6.?PVBL電解質與正極和鋰金屬負極界面的表征與模擬

綜上，本文通過將PVDF與耦合的BTO和LLTO納米線復合，開發了一種高導電性和介電性PVBL（圖1a）。其中，BTO-LLTO誘發了鋰鹽的解離，促進Li⁺轉運并削弱SCL，這有助于PVBL在25℃下獲得8.2×10^-4 S cm^-1的高離子電導率。

同時，BTO-LLTO還降低了與LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）的界面勢，促進了均勻的Li⁺傳輸，從而實現了均勻的鋰沉積/剝離。高壓固態Li/PVBL/ NCM811電池在25℃和180 mA g^-1（1C）提供172.1 mAhg^-1的高容量，且能夠穩定循環1500次。更加重要的是，PVBL軟包電池還具有良好的電化學和安全性能，顯示了PVBL的可行性和潛力。

Shi, P., Ma, J., Liu, M. et al. A dielectric electrolyte composite with high lithium-ion conductivity for high-voltage solid-state lithium metal batteries. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01341-2?