引言

在新能源技术蓬勃发展的今天，锂离子电池作为关键储能设备，其性能提升一直是科研领域的热点。锂离子电池广泛应用于消费电子、电动汽车及医疗设备等领域，但其安全性问题，尤其是高温下的稳定性及锂枝晶生长，一直是制约其进一步发展的瓶颈。锂枝晶不仅会导致电池短路，还可能引发安全事故，且传统制备方法难以兼顾高安全性与高电化学性能。因此，通过技术创新开发高效、安全的电解质材料成为当务之急。

近日，厦门大学郑高峰、颜黄苹团队在《Chemical Engineering Journal》，发表了题为“Three-Dimensional Flame-Retardant Quasi-Solid Composite Electrolyte with a Fiber Structure Formed Using the Coaxial Electrospinning to Suppress Lithium Dendrite Growth”的研究成果。研究团队通过同轴静电纺丝技术，基于聚偏二氟乙烯（PVDF）、二氧化硅（SiO₂）和钛酸镧锂（LLTO）三种材料成功制备了一种PVDF/SiO₂@LLTO三维核壳纤维结构准固态复合电解质（QSCE）。这种独特的结构不仅显著抑制了锂枝晶的生长，还提高了电池的热稳定性和电化学性能。

 技术创新亮点

1、新型三维核壳结构设计
采用同轴静电纺丝工艺，外层LLTO（Lithium Lanthanum Titanium Oxide，锂镧钛氧化物）颗粒均匀分布在纤维壳层，内层由PVDF（聚偏氟乙烯）与SiO₂纳米颗粒构成的多孔骨架，有效实现双重离子通道设计。
→ 外层：LLTO提供表面离子传导路径；
→ 内层：PVDF/SiO₂提高液态电解质浸润性与机械强度。

2、优异的热失控阻断性能
纤维结构受热时PVDF熔融迅速闭孔，同时SiO₂和LLTO形成致密阻热保护层，在160°C高温下收缩率仅1.79%，远优于Celgard2325传统隔膜（完全失效）及非同轴QSCE（80%以上收缩）。

3、 显著提升机械强度
QSCE膜材料抗拉强度随LLTO质量分数提升，达到最高46 MPa（10 wt% LLTO样品），是Celgard2325隔膜的3倍以上（13.5 MPa）。

4、优异的电化学性能

（1）室温离子电导率提升至1.26×10⁻⁴ S/cm（LLTO 10 wt%样品），远高于PVDF/SiO₂未掺杂体系；

（2）在Li//Li对称电池中400 h长循环无枝晶形成；

（3）LiFePO₄/Li全电池首圈容量达174 mAh/g，100圈后容量保持率95%。

5、优异的界面兼容性与稳定性
同轴纺丝形成的渐变界面缓解了PVDF（疏水）与LLTO（亲水）间的相分离问题，提高了机械稳定性和界面离子输运能力。   

图文解析

 图1：锂枝晶抑制策略及热稳定性展示

本研究通过多种策略抑制锂枝晶生长，提升电池热稳定性与安全性。研究结果表明，基于PVDF/SiO₂@LLTO QSCE的锂对称电池在长时间循环后无明显锂枝晶生成；160°C条件下的1小时收缩率为1.79%；暴露在明火中即刻自熄且结构保持完整。

图2：具有三维纤维结构的QSCE的制备工艺

制备过程中，首先合成LLTO纳米颗粒，随后将其与PVDF、SiO₂及锂盐混合，通过同轴静电纺丝技术形成核壳纤维结构。该结构中，LLTO纳米颗粒主要分布在纤维壳层，构建高效离子传导路径并增强结构稳定性，而PVDF和SiO₂则构成了纤维核心，提供机械支撑并增强热稳定性。

 图3：不同QSCE的机械和热性能特征

研究评估了不同电解质的机械性能和热性能。结果证实了PVDF/SiO₂@10LLTO QSCE具有优异的热稳定性和阻燃性。此外，QSCE的拉伸强度随LLTO含量的增加而增强，10 wt% LLTO时达到最高值46.8 MPa，远高于传统隔膜和未添加LLTO的样品，显示出良好的机械稳定性。

图4：不同QSCE的电化学性能

研究评估了PVDF/SiO₂@LLTO QSCE的电化学性能，发现其离子电导率随LLTO质量分数增加先升后降，10 wt% LLTO时达到最高值1.26×10^-4 S·cm^-1（25°C），并展现出最宽的电化学窗口（4.45 V）和最低的界面阻抗（214.51 Ω）。在电池测试中，基于PVDF/SiO₂@10LLTO QSCE的磷酸铁锂（LiFePO₄）电池表现出优异的循环稳定性和倍率性能，初始容量为174 mAh·g^-1，100次循环后容量保持率为95%，显著优于未添加LLTO的样品和传统Celgard2325隔膜电池。

 图5：不同QSCE的锂枝晶抑制能力验证

研究通过锂对称电池的长时间循环测试验证了PVDF/SiO₂@10LLTO QSCE抑制锂枝晶生长的能力，结果显示该QSCE在400小时循环测试中保持稳定且无短路现象，锂负极表面保持光滑平整，而未添加LLTO的样品在155小时后出现短路，锂负极表面观察到明显的锂枝晶生成。此外，电化学阻抗谱（EIS）测试进一步证实了PVDF/SiO₂@10LLTO QSCE具有良好的电极-电解质界面接触，有效防止了锂枝晶的渗透。

总结与建议

本研究提出的三维核壳结构准固态复合电解质材料，通过引入同轴静电纺丝技术，系统解决了以下问题：

(1) LLTO无机填料在聚合物基体内聚集、界面接触不良问题；

(2) 电解质膜热失控风险；

(3) 机械强度不足，循环过程中易产生裂纹与枝晶；

(4) 离子电导率难以兼顾安全性与稳定性的问题。

研究显示，最佳LLTO含量为10 wt%，在热稳定性、力学性能与电化学性能方面均表现最佳，适合实际固态电池应用。对于锂电池企业，该成果为高安全性、大容量、长寿命固态电池的产业化应用提供了新的技术路线，尤其适合动力电池、储能系统等高端市场；对高校与科研单位而言，此项工作不仅拓展了静电纺丝工艺在功能复合材料领域的应用深度，也为开发兼具机械、热、电化学综合性能的下一代电解质材料提供了理论基础。建议后续工作进一步优化LLTO颗粒分散性、膜层厚度控制及长周期全电池测试，以验证其在复杂实际工况下的稳定性，并探索该同轴静电纺丝设计在钠电池、锂硫电池等新型储能体系中的应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164616

人物简介

郑高峰：

厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院教授、博士研究生导师，科学仪器所所长；仪器与电气系副主任。

主要从事微纳喷印、智能检测传感、柔性电子集成等领域的研究工作。

福建省杰出青年基金获得者，福建省高层次人才，厦门市“双百计划”领军型创业人才；作为第一完成人获福建省科技进步奖二等奖、厦门市科技进步奖二等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖各1项。发表 SCI、EI收录学术论文160余篇，作为第一发明人获授权发明专利40余件，实用新型专利30余件，出版专著1本，参与撰写著作专章3篇。主持有国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、福建省产学研究重点项目、福建省自然科学基金等纵向课题30余项。