Renewables 封面文章 | 哈尔滨理工大学陈桢：双功能界面修饰层构建“长效+可回收”LATP电解质
第一作者：陈桢
通讯作者：陈桢
通讯单位：哈尔滨理工大学
原文链接：https://doi.org/10.31635/renewables.025.202500099
本文亮点
双功能协同，破解界面困局：将聚硅氧烷基单离子导体（PSiO）与弛豫铁电聚合物（PTC）结合，打造复合中间层（PP），同时解决聚合物界面修饰层离子电导率低和锂枝晶易穿透的两大难题。
超优异性能，铸就长效循环：Li||Li对称电池在0.1mA(h)cm−2下稳定循环4000小时，临界电流密度（CCD）达2.1mAcm−2，是未改性样品的5倍；搭配LFP、NCM811正极，800次循环后容量保持率分别达80.1%、77.5%。
无损失回收，践行绿色理念：循环后的PP@LATP电解质经简单清洗抛光即可复用，200次循环仍保留89.7%初始容量，可降低固态电池生产成本。
稳定性进阶，筑牢安全屏障：锂金属热稳定性显著提升，未修饰的LATP与锂金属加热接触333秒就热失控燃烧，而PP@LATP加热1135秒仍保持稳定。
研究背景
为解决当前电动车续航焦虑的核心问题，固态锂金属电池凭借>500Whkg−1的高能量密度与优异的安全性备受关注，而固态电解质（SSEs）作为其核心组件，不仅决定电池整体性能，更占据生产成本的较大比重，其性能与可持续性直接影响技术落地进程。在众多的SSEs中，NASICON型Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3（LATP）因较高离子电导率、温和合成条件、低原料成本及出色的空气稳定性，成为氧化物固态电解质的理想选择之一。然而，当前对于LATP基固态电池的研究中面临着三大关键瓶颈：1）与锂金属直接接触时会发生严重界面副反应，导致Ti4+被还原、电解质降解并引发电池失效；2）传统界面修饰层存在“无机修饰层加工成本高、持续反应”和“聚合物修饰层离子电导率低、难阻锂枝晶”的两难问题；3）现有LATP电解质难以回收复用，既不符合循环经济趋势，也无法控制量产成本。因此，设计一种能同步解决界面稳定、性能强化与回收难题的界面修饰策略，成为推动LATP基固态电池实现商业化的关键突破口。
图文导读
哈尔滨理工大学陈桢在Renewables上发表了题为“UltrastableandRecyclableLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3Solid-StateElectrolytesEnabledbyaDual-FunctionalInterlayerDesign”的研究论文。
PP修饰层：特性表征与可行性奠基
通过原位固化法制备PP@LATP电解质的流程示意（图1a）。首先，借助扫描电子显微镜（SEM）验证LATP样品烧结后本体的致密性（图1b）。随后将60%PSiO与40%PTC共混后制备的溶液原位固化于LATP表面形成厚度为6μm的中间层，并通过能量散射X射线谱（EDS）确认PP层元素分布均匀性与涂层结构完整（图1c）。X射线衍射（XRD）证实得到的LATP保持纯NASICON相（图1d）。热稳定性测试（图1e）与静置老化实验（图1f）则从“安全”和“稳定”两个关键维度，直接证明PP层能显著延缓对锂金属热失控与抑制阻抗飙升——原始的LATP333秒热失控、60天阻抗达25000Ω，而PP@LATP1135秒仍保持稳定、阻抗长期维持300−400Ω，初步验证PP中间层的核心价值。
图1.（a）PP修饰层制备流程示意图。（b）LATP截面形貌。（c）PP@LATP的截面形貌与EDS元素分布图。（d）揭示LATP晶体结构的XRD图谱。（e）原位延时摄影记录的热失控测试过程。（f）Li||Li对称电池在静置过程中阻抗随时间变化的演变过程。
电化学机理：离子传输的高效赋能
在确认PP修饰层基础稳定后，本研究深入微观结构和性能层面，解释“PP修饰层如何提升电解质体系性能”，聚焦离子传输效率的优化机制。通过Arrhenius曲线和阻抗（图2a-b）发现，修饰后PP@LATP-LE的离子电导率（25℃时1.69×10-3Scm-1）是未修饰样品的2.7倍，活化能从0.35eV降至0.24eV，说明离子传输能垒显著降低。Li+迁移数测试（图2c）与电子电导率对比（图2d）则证明，PP层在提升离子传输效率的同时，还能抑制电子传导（减少副反应），而傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析（图2e-f）进一步揭示核心机理——PP层的β相比例高达99.1%（远高于纯PTC的80.3%），高介电常数的β相可促进锂盐解离、均匀界面离子分布。最终通过脱溶剂化能测试（图2g）与Tafel曲线分析（图2h），进一步验证该机制能加速界面锂离子传输、降低极化，为后续高性能循环提供机理支撑。
图2.（a）LATP-LE与PP@LATP-LE离子电导率的Arrhenius曲线。（b）温度对阻抗的影响。（c）PP@LATP-LE锂离子迁移数的测定。（d）LATP-LE与PP@LATP-LE有效离子电导率（EIC）与电子电导率（EC）的对比。（e）PSiO、PTC和PP的FTIR图。（f）定量分析PTC和PP中α相与β相的比例。（g）Li|LATP-LE|Li和Li|PP@LATP-LE|Li体系中锂离子界面迁移脱溶剂能的对比。（h）LATP-LE与PP@LATP-LE体系Li||Li对称电池的Tafel曲线。
对称电池体系：PP修饰层的全方位效能评估
基于前面的基础和机理，本研究以Li||Li对称电池为测试载体，直接验证PP中间层在“防枝晶、抗高电流、长循环”三大核心性能上的改善。电荷耦合器件（CCD）测试（图3a-d）显示，在恒时模式下原始的LATP-LE在0.4mAcm−2即短路，而PP@LATP-LE耐受2.1mAcm−2，证明其抗枝晶能力大幅提升。长循环测试（图3e-f）则给出更直观的界面稳定性优势——0.1mA(h)cm−2下，PP@LATP-LE稳定循环4000小时，极化电压仍低于1V，未修饰的样品1800小时即过载；原位光学显微镜（OM）进一步从“可视化”角度佐证（图3g）：未修饰的LATP-LE经过6.5小时沉积生长出大量锂枝晶并发生短路，而PP@LATP-LE经过24小时，锂沉积均匀致密并未发生短路，直观验证中间层对枝晶生长的抑制效果。
图3.Li|LATP-LE|Li和Li|PP@LATP-LE|Li在（a,b）恒时模式与（c,d）恒容模式下的CCD测试结果。锂剥离沉积测试在（e）0.1mA(h)cm−2和（f）0.2mA(h)cm−2电流密度下进行。（g）在0.2mAcm−2电流密度下，不同时间点锂单侧沉积的示意图。
微观本质拆解：界面稳定性的核心成因
通过弛豫时间分布（DRT）、离位的SEM和X射线光电子能谱（XPS）分析手段，拆解“PP层如何实现界面稳定”的微观本质。DRT阻抗解耦分析（图4a-c）发现，PP@LATP-LE循环100次后，体电阻、晶界电阻、界面电阻均趋于稳定，而未修饰的样品因持续界面副反应，导致各部分阻抗持续上升。SEM与XPS表征（图4d-i）则从“结构”和“成分”两方面给出直接证据：未修饰LATP表面Ti4+被还原为Ti3+（电解质降解）、锂电极布满枝晶与裂纹，而PP@LATP表面Ti4+完好、锂电极光滑且被聚合物层包覆。最终通过机理示意图（图4j）总结PP层的四大核心作用——柔性贴合降低阻抗、电子绝缘抑制降解、单离子导体促进传输、铁电效应均匀离子，从根源上阻断副反应与抑制枝晶生长，实现界面的长效稳定。
图4.（a，b）循环阻抗的DRT解耦图。（c）循环过程中DRT峰值的等高线分布图（循环次数标记为CN）。（d-i）循环后Li金属电极的形貌特征SEM，循环后电解质表面的化学状态演变XPS光谱。（j）PP中间层实现长效稳定的原理示意图。
实际价值验证：全电池性能与可回收潜能
在LFP全电池中（图5a-d），PP@LATP-LE在2C倍率下仍有55mAhg-1放电比容量（LATP-LE无容量），0.5C循环800次容量保持率80.1%（LATP-LE体系200次失效）。图5e对比了当前LATP体系的Li||LFP电池性能。可回收测试（图5f）是该研究的一大亮点——LATP-LE体系循环后电解质表面多孔、破碎，锂电极布满死锂，无法复用，而PP@LATP-LE体系经简单抛光清洗后复用，电池0.5C循环200次仍保留89.7%初始容量，实现固态电解质可回收，呼应循环经济需求，为降低固态电池成本提供了解决方法。NCM811全电池中（图5g-h），其0.5C循环1000次容量保持率71.8%，进一步证明适配高电压正极的能力。
图5.（a）Li||LFP全电池的倍率性能。（b）图5a中不同倍率下电压平台差的统计图。（c）Li||LFP全电池在0.5C倍率下的循环性能。（d）200次循环过程中的阻抗演变。（e）近年来使用LATP电解质片的Li||LFP全电池性能对比图。（f）循环25圈后电解质与锂金属电极的照片，以及组装新鲜Li|PP@LATP-LE|LFP电池后的循环性能。（g）Li||NCM811全电池的倍率性能，（h）Li||NCM811全电池在0.5C倍率下的循环性能。
总结与展望
本研究通过“PSiO+PTC”双功能中间层设计，同步解决了LATP电解质界面副反应、锂枝晶生长、聚合物界面层离子传输效率低且易被锂枝晶刺、固态电解质难以回收的四大核心问题，实现了“高稳定性+快离子传输动力学+可回收性”的三重突破。重要的是，该策略不仅提升了固态电池的性能和安全性，还为固态电解质的循环利用提供了新思路——通过简单的物理处理即可复用，大幅降低了电池全生命周期成本，契合“双碳”目标和“十五五”规划下的绿色、高质量发展趋势。未来，随着技术的进一步优化（如薄化电解质层、降低制备成本、匹配高负载正极等），有望加速高能量密度、低成本、可持续固态锂电池的商业化进程，为电动车、低空经济、AI+储能等领域带来新发展。
文章信息
原文链接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/renewables.025.202500099
文章信息：ZhenChen,*XianaoLi,KepinZhu,MedinaJasarevic,YangWang,ZiqiZhao,HaipengLiang,DominicBresser,HuangZhang,*Jae-KwangKim,*MinghuaChen.UltrastableandRecyclableLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3Solid-StateElectrolytesEnabledbyaDual-FunctionalInterlayerDesign.Renewables,2025,3(5):357-368.
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作者简介
陈桢，教授，博士生导师，国家高层次青年人才。于新加坡南洋理工大学获博士学位，曾在德国亥姆霍兹乌尔姆研究所/卡尔斯鲁厄理工学院作博士后研究员。目前已发表SCI论文100余篇，以第一/通讯作者在EnergyEnviron.Sci.、Adv.EnergyMater.、Adv.Funct.Mater.、NanoEnergy等期刊共发表50余篇，论文被引7300余次，h因子39。授权发明专利15件（第一发明人，含美国发明专利1件）。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）、国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金青年基金项目等。获2025年黑龙江省科技进步奖，一等奖（排名第四）。担任FrontiersinChemistry,JournalofPowerSourcesAdvances客座编辑，EnergyEnvironmentalMaterial,Renewables,ACSAppliedMaterials&Interfaces青年编委，同时担任黑龙江省电源学会监事，IEEE电力与能源学会常务理事，中国青年科技工作者协会会员。
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Renewables是依托中国化学会期刊平台，面向新能源领域的高起点国际期刊，发表能源、化学、材料等交叉学科的高水平研究论文与综述，已入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊。
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