​上大/华盛顿州立EnSM：LLZTO/PEO 复合电解质多功能 Janus 层增强固态锂金属电池界面稳定性

柔性复合固体电解质（CSE）由于其易于制造、良好的电化学性能和高安全性，在高能全固态锂金属电池中显示出巨大的潜力。然而，在无机填料和聚合物之间实现良好的界面相容性仍然具有挑战性，这会影响CSE的锂离子传输和电化学性能。

在此，上海大学程红伟，鲁雄刚，华盛顿州立大学Dong Panpan等人设计了一种Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂（LLZTO）填料，其涂有3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MEMO）Janus层，用于聚环氧乙烷（PEO）电解质（表示为MEMO@LLZTO-PEO）。研究表明，MEMO Janus层有利于填料在聚合物中的均匀分散，并促进锂盐的解离，从而大大提高了MEMO@LLZTO-PEO的离子电导率（30℃时为2.16 × 10⁻⁴ S cm⁻¹）。

此外，MEMO@LLZTO可以通过氢键相互作用和F-O化学键固定锂盐阴离子，从而使MEMO@LLZTO-PEO具有良好的锂离子迁移数（0.53）。MEMO@LLZTO-PEO-NF在锂对称电池中在电流密度为0.1 mA cm⁻²（面积容量：0.1 mAh cm⁻²，60℃）下表现出超过4000小时的良好循环性能。当用于具有高活性质量负载（>4 mg cm⁻²）的全固态Li/LiFePO₄电池时，MEMO@LLZTO-PEO-NF电池在60℃下表现出显着增强的循环性能和倍率性能。

图1. 电池性能

总之，该工作展示了一种功能性MEMO@LLZTO填料，并系统研究了MEMO涂层对PEO基复合电解质离子传输的影响。MEMO Janus涂层显示出MEMO@LLZTO与PEO的界面相容性大大改善，这有利于MEMO@LLZTO填料在聚合物基体中的均匀分布。由于 MEMO Janus 层存在连续的锂离子传导路径，所获得的电解质膜表现出良好的离子电导率（2.16 × 10⁻⁴ S cm⁻¹，30 °C）。

此外，MEMO涂层通过F-O键和氢键与TFSI⁻阴离子表现出强烈的相互作用，从而解离更多的锂盐，导致快速的锂离子传输，从而提高MEMO@LLZTO-PEO的锂离子迁移数。此外，与MEMO@LLZTO-PEO相比，MEMO@LLZTO-PEO-NF电解质表现出更高的机械强度和热稳定性。因此，采用MEMO@LLZTO-PEO-NF的锂对称电池在电流密度为0.1 mA cm⁻²（面积容量：0.1 mAh cm⁻²，60℃）下可以循环长达4000小时。

与LLZTO-PEO-NF电池相比，采用MEMO@LLZTO-PEO-NF电解质的全固态Li/LiFePO₄电池在60℃下具有显着增强的循环性能和倍率性能。因此，该工作为优化聚合物-填料界面提供了合理的设计策略，以实现安全性更好的全固态锂电池的高性能CSE，在各种系统中具有一定的普适性。

图2. DET计算

A Multifunctional Janus Layer for LLZTO/PEO Composite Electrolyte with Enhanced Interfacial Stability in Solid-State Lithium Metal Batteries, Energy Storage Materials 2023 DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103091