固態(tài)電解質（SSE）被認為是下一代安全和高能鋰電池最具吸引力的候選者。然而，目前的SSE無法滿足電池的性能要求。研究人員提出了固體電解質化學和技術的策略來克服挑戰(zhàn)，同時擴大可能的應用范圍。其中，垂直異質結構固態(tài)電解質（HSE）被認為是最有前途的策略，它可以利用各個SSE層并合理化電極的穩(wěn)定性和兼容性。

在此，天津大學羅加嚴教授、王澳軒副研究員等人總結了HSE在這一新興領域的研究進展，并概述了其在處理離子傳輸、固/固接觸、電化學穩(wěn)定性和鋰枝晶等關鍵問題方面的應用，這些問題是任何單一SSE都難以完全解決的。HSE在空間上以合理的順序堆積SSE，并在多個自由度上設計電解質的物理和（電）化學性質，從而通過協(xié)同效應使固態(tài)整體具有疊加功能以避免電池突然失效。

每個 SSE層都可以獨立調節(jié)，并與以前的技術兼容以調整其屬性。具有適當壓力控制的HSE可通過提高鋰金屬穩(wěn)定性和鋰枝晶抑制能力及正極穩(wěn)定性來延長電池壽命，這些因素包括均質調節(jié)的鋰成核、機械化學效應、動力學穩(wěn)定性、鋰的膨脹螺旋效應及正極電壓范圍內的收縮誘導亞穩(wěn)態(tài)。

圖1. HSE的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)總結

最后，作者指出了HSE未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)：

1）HSE基礎電化學探索。一方面，在SSE/SSE界面上離子遷移仍缺乏明確的機制。此外，全面了解鋰循環(huán)如何受SSE性質和表面化學的影響值得進一步研究；

2）基于HSE組裝高性能固態(tài)電池。HSE受限于對能量密度產(chǎn)生負面影響的空間成本，需要對最小厚度進行關聯(lián)以增強SSE性能并增加穩(wěn)定性，同時抑制不良疲勞和SSE 失效；

3）HSE的多功能性。固體系統(tǒng)中緩慢的離子遷移率是決速步驟，需要改進表面熱力學限制，HSE設計可能是實現(xiàn)高性能和安全固態(tài)電池的良好解決方案；

4）制造工藝和成本優(yōu)化。目前大多數(shù)研究僅在實驗室規(guī)模上實現(xiàn)目標，其驗證和成本評估尚未在大規(guī)模制造上得到證明。因此，仍需努力研究未來的工藝設計和成本控制。

圖2. HSE的功能應用與有機SPE和無機SSE之間的相關性

Vertically Heterostructured Solid Electrolytes for Lithium Metal Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202201465