近年来，锂电池已被广泛应用于移动电子设备，电动汽车，大型储能装置和卫星等特殊领域。其中，移动电子设备和电动汽车的快速发展使得人们对锂电池的能量密度和安全性需求不断增加。与使用传统液态电解液的电池相比，使用聚合物电解质的固态电池具有更高的安全性与能量密度。然而，其内部的电极/聚合物电解质界面仍存在许多问题（图1），影响电池的应用。

图1 锂电池的应用领域与电极/聚合物电解质界面存在的问题

 【综述亮点】

1. 不同种类电解质的性能比较

图2 各种电解质的特性比较

2. 不同种类电解质中锂离子的传输机理

（1）单组分电解质

  在LE内，锂离子被多个溶剂分子包围，形成溶剂鞘。离子带着溶剂鞘迁移，到达另一端后，脱去溶剂鞘。其中，去溶剂化需要克服较大的能垒，影响界面锂离子传导速率。在SPE内，锂离子与聚合物链上的基团或原子配位，随着链段运动而迁移。伴随着配位键的断裂与形成，锂离子将在聚合物链内或链间跳跃。在ICE中，锂离子传导很大程度上依赖于晶体结构中存在的缺陷。多晶陶瓷则因其较大的晶界阻抗，成为限制离子导通的主要因素。

（2）多组分电解质

  多组分电解质主要包括双组分的陶瓷-液体电解质（Ceramic-Liquid Electrolytes，CLEs），凝胶聚合物电解质（Gel Polymer Electrolytes，GPEs），复合聚合物电解质（Composite Polymer Electrolytes，CPEs）以及三组分的复合凝胶聚合物电解质（Composite Gel Polymer Electrolytes，CGPEs）。在多组分电解质中，因为每种成分都会贡献其各自的离子传导途径，导致离子传导机制更为复杂。此外，不同成分之间的相互作用，也造成了离子传输的协同与竞争效应，因而需要具体研究。

3. 常用聚合物的性能及其改性方法

图3 各种聚合物基体材料的性能比较

4. 高能量密度锂电池正极/聚合物固态电解质界面问题及改善方法

  柔软的聚合物固态电解质拥有与电极的良好接触。然而，当电池使用高负载正极时，聚合物固态电解质仍难以有效渗透和润湿正极，导致正极内部和界面处的锂离子传导不理想。除了在电解质内加入液体成分外，原位聚合和一体化正极-电解质策略也可以改善这个问题。原位聚合通过将含有引发剂的液态聚合物前驱体/单体直接涂覆到正极上，或注入预组装的电池中，从而使液体前驱体/单体有效渗透正极，再聚合。一体化正极-电解质指的是将某些聚合物电解质既作为离子导体和粘结剂掺入正极，又作为电解质组成电池。此时，正极和电解质粘合在一起创建集成正极/电解质一体化结构。

  尽管相比传统液态电解液，聚合物电解质通常具有更宽的电化学稳定窗口，它们仍难以满足高电压正极的匹配要求。正极/电解质界面的电化学不稳定限制了锂电池的能量密度和循环性能。在正极和聚合物电解质之间构建稳定的正极-电解质中间相（CEI）是提高界面电化学兼容性的有效策略。通过电解质改性，包括加入锂盐添加剂、增塑剂和陶瓷填料都有助于形成稳定的CEI。此外，鉴于ICE具有出色的电化学稳定性，因此在正极上构建一层ICE涂层可用作夹层结构中正极和聚合物电解质之间的人造稳定CEI。某些具有优异电化学稳定性的聚合物也可以用作正极涂层。构建多层聚合物电解质也是一种避免电化学不兼容的直接方法。

  正极/电解质界面上空间电荷层的存在也可能导致大的界面阻抗。这是因为当两种具有不同化学势的材料接触时，例如电极和聚合物电解质，空间电荷会在界面处积聚。除了不同的化学势之外，电极和聚合物电解质之间的电势差也将驱动带电粒子重新分布，在界面处形成空间电荷层累积。界面处的空间电荷层会阻碍离子传导，提高离子的迁移能垒，增大界面阻抗。将铁电/介电材料引入界面中则能够很好地抑制空间电荷的累积。

5. 高能量密度锂电池负极/聚合物固态电解质界面问题及修饰方法

  在锂电池的各种负极材料中，锂金属拥有较高的比容量（3860 mAh g^-1），及较低的还原电位（3.04 V，标准氢电极）。因此，锂金属电池的能量密度能够比使用石墨负极的电池提高40%-50%。然而，锂金属负极/电解质界面也存在着一些问题，它们不仅影响锂电池的能量密度，还影响其循环性能和安全性。

  界面稳定性是锂电池稳定循环的先决条件。然而，锂金属负极总是会与含有特定基团或元素的聚合物电解质反应。在聚合物电解质中加入添加剂，可以在界面处诱导生成富含无机物的固体-电解质中间相（SEI），阻隔副反应发生，提高界面化学稳定性。此外，与正极侧相同，采用多层电解质设计也可以将易反应的电解质与锂金属负极进行物理分隔。

图4 锂电池电极/聚合物固态电解质的界面问题及修饰改善方法

6. 未来展望

  尽管现有的电解质改性以及界面修饰方法已经能够在一定程度上提高锂电池的能量密度，未来仍需要更好地解决以下几个挑战，以进一步提高电池的综合性能：（1）对聚合物电解质，尤其是多组分电解质中锂离子的传导机理进行进一步探究。（2）需要进一步提高聚合物固态电解质的电化学稳定性与机械强度，并对电解质进行更新颖的结构设计。（3）在尽量提高电极负载量的前提下，保证电池的放电容量与循环性能不受影响。（4）优化聚合物电解质的制备过程，并降低制备成本，适应大规模生产。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202301746