柔性復(fù)合固體電解質(zhì)（CSE）由于其易于制造、良好的電化學(xué)性能和高安全性，在高能全固態(tài)鋰金屬電池中顯示出巨大的潛力。然而，在無機(jī)填料和聚合物之間實現(xiàn)良好的界面相容性仍然具有挑戰(zhàn)性，這會影響CSE的鋰離子傳輸和電化學(xué)性能。

在此，上海大學(xué)程紅偉，魯雄剛，華盛頓州立大學(xué)Dong Panpan等人設(shè)計了一種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層，用于聚環(huán)氧乙烷（PEO）電解質(zhì)（表示為MEMO@LLZTO-PEO）。研究表明，MEMO Janus層有利于填料在聚合物中的均勻分散，并促進(jìn)鋰鹽的解離，從而大大提高了MEMO@LLZTO-PEO的離子電導(dǎo)率（30℃時為2.16 × 10^?4 S cm^?1）。

此外，MEMO@LLZTO可以通過氫鍵相互作用和F-O化學(xué)鍵固定鋰鹽陰離子，從而使MEMO@LLZTO-PEO具有良好的鋰離子遷移數(shù)（0.53）。MEMO@LLZTO-PEO-NF在鋰對稱電池中在電流密度為0.1 mA cm^?2（面積容量：0.1 mAh cm^?2，60℃）下表現(xiàn)出超過4000小時的良好循環(huán)性能。當(dāng)用于具有高活性質(zhì)量負(fù)載（>4 mg cm^?2）的全固態(tài)Li/LiFePO₄電池時，MEMO@LLZTO-PEO-NF電池在60℃下表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的循環(huán)性能和倍率性能。

圖1. 電池性能

總之，該工作展示了一種功能性MEMO@LLZTO填料，并系統(tǒng)研究了MEMO涂層對PEO基復(fù)合電解質(zhì)離子傳輸?shù)挠绊?。MEMO Janus涂層顯示出MEMO@LLZTO與PEO的界面相容性大大改善，這有利于MEMO@LLZTO填料在聚合物基體中的均勻分布。由于 MEMO Janus 層存在連續(xù)的鋰離子傳導(dǎo)路徑，所獲得的電解質(zhì)膜表現(xiàn)出良好的離子電導(dǎo)率（2.16 × 10^?4 S cm^?1，30 °C）。

此外，MEMO涂層通過F-O鍵和氫鍵與TFSI^?陰離子表現(xiàn)出強(qiáng)烈的相互作用，從而解離更多的鋰鹽，導(dǎo)致快速的鋰離子傳輸，從而提高M(jìn)EMO@LLZTO-PEO的鋰離子遷移數(shù)。此外，與MEMO@LLZTO-PEO相比，MEMO@LLZTO-PEO-NF電解質(zhì)表現(xiàn)出更高的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。因此，采用MEMO@LLZTO-PEO-NF的鋰對稱電池在電流密度為0.1 mA cm^?2（面積容量：0.1 mAh cm^?2，60℃）下可以循環(huán)長達(dá)4000小時。

與LLZTO-PEO-NF電池相比，采用MEMO@LLZTO-PEO-NF電解質(zhì)的全固態(tài)Li/LiFePO₄電池在60℃下具有顯著增強(qiáng)的循環(huán)性能和倍率性能。因此，該工作為優(yōu)化聚合物-填料界面提供了合理的設(shè)計策略，以實現(xiàn)安全性更好的全固態(tài)鋰電池的高性能CSE，在各種系統(tǒng)中具有一定的普適性。

圖2. DET計算

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