全固态电池因具有更高的安全性和能量密度，被认为是下一代电化学储能设备中最有力竞争者。柔性的复合固态电解质（CSE）具有制备简单、电化学性能好、安全性高等优点，在高能全固态锂金属电池中具有非常诱人的应用前景。然而，无机填料与聚合物之间实现良好的界面相容性仍然是一个挑战，严重影响了锂离子输运及其电化学性能。

近日，上海大学材料学院博士生段彤在活性填料Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂ (LLZTO)表面引入了3-（甲基丙烯酰胺）丙基三甲氧基硅烷（MEMO）作为Janus层应用于PEO聚合物基质中，有效改善了无机填料在聚合物基质中的团聚现象，制备了具有良好界面相容性的复合固态电解质MEMO@LLZTO-PEO。同时，为了提高电解质膜的机械强度和安全性，引入了超薄无纺布（NF）得到高离子电导率和迁移数的MEMO@LLZTO-PEO-NF CSE。该最新研究成果以“A Multifunctional Janus Layer for LLZTO/PEO Composite Electrolyte with Enhanced Interfacial Stability in Solid-State Lithium Metal Batteries“为题，于2023年11月26日在国际能源材料知名期刊《Energy Storage Materials》上发表，该期刊2023年影响因子为20.4。该论文第一作者为博士生段彤，上海大学为第一作者单位，程红伟教授、鲁雄刚教授和董盼盼博士为共同通讯作者。此前，段彤同学以第一作者身份已在《Journal of Power Sources》（2024，589, 233789；IF=9.2）期刊上发表了一篇学术论文。

MEMO@LLZTO-PEO-NF电解质在全固态锂电池中的作用机制

该研究工作表明，引入Janus层后的CSEs在室温下（30 ℃）具有更优越的离子电导率（2.16 × 10⁻⁴ S cm⁻¹）、离子迁移数（0.56）、机械强度（5.65 MPa）和热稳定性。物理性能的改善可归因于两个方面：首先，Janus层的存在降低了LLZTO与PEO之间的表面自由能差异，避免了纳米颗粒自发的团聚现象。另外，MEMO修饰层与LiTFSI及PEO组分之间还存在着广泛的相互作用。因此，用该电解质制备的全固态电池，在0.5 C、60 ℃、高负载（＞4.0 mg cm⁻¹）的条件下可稳定循环100圈且容量高于150 mAh g⁻¹。

引入Janus层前后锂对称电池的长循环性能及其与电解质组分的作用机理

值得一提的是，由于该电解质有效的改善了界面的兼容性，并具有良好的机械性能，能够有效的抑制负极侧的锂枝晶生长，用其装配的锂对称电池可以在0.1 mA cm⁻²下稳定循环超过4000 h。DFT计算表明，Janus与PEO之间存在着氢键相互作用，而与LiTFSI之间存在着F–O键合作用及氢键相互作用，使得TFSI阴离子被固定，体系中存在着更多的游离锂离子，这种相互作用也通过FT-IR中红外峰的偏移得到了进一步的印证。该工作为高性能全固态锂电池CSE的聚合物-填料界面优化提供了一种新的设计策略，具有一定的普适性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103091

撰稿人：孙强超