自组装离子通道准固态电解质实现高电压锂金属电池的安全与性能突破

研究人员针对高电压锂金属电池(LMB)中固态电解质(SSE)电化学稳定性与界面兼容性的矛盾，通过浓度驱动自组装策略开发了离子渗透型准固态电解质(AIQE)。该电解质在临界配比LiFSI(FEC)0.37下形成刚性LiFSI骨架与动态[LiFSI-FEC]离子簇的双相结构，实现2.3×10-4 S/cm离子电导率和0.75 Li+迁移数，同时兼容4.6 V LiCoO2正极与锂金属负极，为高能量密度电池提供新范式。

　　

在追求更高能量密度的锂金属电池(LMB)竞赛中，传统液态电解质的易燃性如同悬在头顶的达摩克利斯之剑，而固态电解质(SSE)则陷入电导率与电压稳定性难以兼得的困境。氧化物电解质虽耐高压但离子电导率仅10^-5-10^-4 S/cm，硫化物体系虽导电优异却只能在2.8 V以下苟且——这迫使科研人员在安全与性能的天平上艰难取舍。中国科学院物理研究所Liumin Suo团队在《National Science Review》发表的突破性研究，犹如在迷宫中点亮明灯：他们通过精巧的浓度驱动自组装策略，创造出兼具"钢筋铁骨"与"液态柔情"的离子通道准固态电解质(AIQE)，让锂离子在非易燃的固态框架中如高速公路般飞驰。

研究团队采用多尺度表征与计算模拟相结合的方法：通过X射线衍射(XRD)和低温电镜(Cryo-EM)解析双相结构，拉曼映射定量相分布，分子动力学(MD)模拟揭示Li⁺传输机制，并结合电化学测试验证4.6 V LiCoO₂全电池性能。关键样本为自主配比的LiFSI(FEC)_x电解质体系。

Determination of the AIQE formulation

通过溶剂/盐的三重筛选标准（电化学稳定性、解离可行性、安全性），锁定氟代碳酸乙烯酯(FEC)与双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)组合。临界浓度LiFSI(FEC)_0.37触发盐结晶形成刚性骨架（43%），同时生成渗透性[LiFSI-FEC]离子簇（57%），实现1.73×10^-4 S/cm电导率与5.5 V电化学窗口。

Microscopic phase structure of AIQE

拉曼光谱揭示FSI^-的两种配位态（晶体相△=32.5 cm^-1偏移），核磁共振(NMR)显示Li⁺处于晶格固定与簇动态迁移的混合态。MD模拟证实FEC优先溶剂化Li⁺形成簇（每个Li⁺配位1.53 FEC），而过剩LiFSI自组装为纳米晶。

Li⁺ transport mechanism of AIQE

能垒计算显示晶体相Li⁺迁移需0.71 eV，而簇相仅0.34 eV，与实验值完美吻合。原位分子动力学(AIMD)捕获到簇相Li⁺的"超流体"行为（MSD>1.5 ?²/ps），形成沿晶界的自主离子高速公路。

Electrochemical compatibility

Li|AIQE|Li对称电池实现2000小时稳定循环（过电位<50 mV），4.6 V LiCoO₂全电池初始容量达210 mAh/g。X射线光电子能谱(XPS)证实电极-电解质界面富含LiF保护层。

这项研究颠覆了传统固态电解质的设计范式：不是通过单一材料改性，而是巧妙利用浓度驱动的自组装产生双相协同。纳米LiFSI晶体提供机械强度与非易燃性，而渗透的离子簇网络实现液态般的离子传输，最终在硬币电池（240次循环保持75%容量）和软包电池（60次循环99.98%库仑效率）中均展现出商业化潜力。正如研究者所言，这种"离子渗透"设计原则为突破固态电池的"导电-稳定"悖论提供了普适性方案，或将重塑高能量密度储能技术的未来图景。