清华大学，今日重磅Nature！

来源：科研圈

固态锂金属电池，在实际工作条件下面临巨大挑战。

即使复合固态电解质的离子导电性提高到1 mS·cm⁻¹，仍难以实现大于1 mA·cm⁻²电流密度和1 mAh·cm⁻²比容量的长循环寿命。

其根本原因在于固态电解质界面（SEI）的脆性，导致锂离子传输缓慢，进而形成锂枝晶和严重的副反应。

在此，来自天津大学的杨全红、清华大学的侯廷政、吕伟、贺艳兵以及康飞宇等研究者报告了一种具有延展性的富含无机物的SEI，能够在高电流密度和大比容量下保持结构完整性，同时允许离子容易扩散。相关论文以题为“A ductile solid electrolyte interphase for solid-state batteries”于2025年10月29日发表在Nature上。

固态锂金属电池（SLMBs）是电动汽车和大规模储能系统中最有前景的候选技术之一。

然而，在实际工作条件下（高比容量和高电流密度）锂枝晶的失控生长严重阻碍了其商业化应用。

与固态无机电解质相比，广泛研究的固态聚合物电解质（SPEs），如基于聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚乙烯氧化物（PEO）的电解质，与电极的界面亲和力更强。

然而，它们的离子导电性和稳定性不足以支持锂离子（Li⁺）的均匀快速运输。

为同时提高SPEs的Li⁺传输性能和机械强度，研究人员通过微观结构设计或与陶瓷材料复合，制备了复合SPEs（CSPEs）。

然而，即便CSPEs的离子导电性提高到1 mS·cm⁻¹，这些电池仍然远未达到高电流密度（5 mA·cm⁻²）和高比容量（5 mAh·cm⁻²）下快速充电的要求。

其根本原因在于不受控制的锂枝晶生长和由不稳定的固态电解质界面（SEI）引起的锂与CSPEs之间的严重副反应。

先前的研究普遍认为，通过调节PEO基或PVDF基聚合物盐电解质中的溶剂结构和填料，可以获得富含氟化锂（LiF）的锂拒化SEI，这种SEI具有较高的杨氏模量，可以促进Li⁺在SEI/Li界面处的迁移，从而抑制锂进入SEI。

然而，传统无机成分的锂拒化特性和固有的脆性导致较大的Li⁺成核势垒，并且在高电流密度和高比容量下进行锂沉积和剥离时，难以保持SEI的完整性，最终导致严重的锂枝晶生长、副反应和界面开裂。

在此，研究者报告了一种含有硫化银（Ag₂S）和氟化银（AgF）成分（Ag₂S/AgF）的延展性SEI，其具有不对称的富含无机物的结构，电解质侧为延展性Ag₂S–AgF，而锂金属侧为亲锂的Ag/Ag–Li（图1）。

SEI的延展性归因于Ag₂S和AgF成分，这些成分是SEI中的Li₂S/LiF与介电复合电解质中的AgNO₃发生置换反应形成的。

即使在15 mA·cm⁻²电流密度和15 mAh·cm⁻²比容量下，采用这种SEI的对称锂电池也能保持超过4500小时的长循环寿命。

此外，具有延展性SEI的电池在−30°C下也能在5 mA·cm⁻²电流密度和5 mAh·cm⁻²比容量的实际条件下工作超过7000小时。

这项工作为实现高电流密度和高比容量下、甚至在低温环境下具有长循环寿命的SLMBs提供了实际的解决方案。

图1 含Ag2S/AgF延展性SEI的设计。

图2 Ag/LLZTO和CSPEs的性质。

图3 含Ag2S/AgF的SEI纳米结构及组分分析。

图4 聚乳酸基SLMBs的电化学性能。

图5 含Ag2S/AgF的SEI的力学和锂离子输运性质。

综上所述，通过在PALA中将Li₂S/LiF与AgNO₃发生置换反应，构建了含有Ag₂S/AgF的延展性SEI，该PALA由基于PVDF的SPE与含有Ag/LLZTO填料和AgNO₃的复合物组成。

该SEI的上层包含AgF/Ag₂S，下层包含Ag/Li–Ag，具有高延展性和刚度，并表现出优异的抗锂枝晶形成能力和在超高电流密度及比容量下长时间循环时的结构稳定性。

此外，延展性SEI具有出色的锂离子传输能力和电荷转移动力学。

含有Ag₂S/AgF的SEI与PALA的耦合，使得SLMBs在超高电流密度下能够稳定运行。

此处报告的延展性富含无机物的SEI为推进高工作电流密度的固态电池提供了新的思路。

参考文献

Mi, J., Yang, J., Chen, L. et al. A ductile solid electrolyte interphase for solid-state batteries. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09675-8

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09675-8