随着电动汽车发展对高安全、高能量密度储能器件需求的提升，硫化物基全固态电池成为重要发展方向，而无负极全固态电池因省去预置锂金属负极可进一步提升 20%–30% 的能量密度，成为研究热点，但该体系存在锂沉积不均、固态电解质与集流体界面接触失效等问题，易引发界面副反应、锂枝晶生长和固态电解质开裂，导致库伦效率低、循环稳定性差。现有研究虽通过引入软质层实现应力弛豫或利用科布尔蠕变引导锂均匀沉积，但存在界面层无弹性、锂离子动力学迟缓、成本高或无法避免锂与固态电解质直接接触等缺陷，因此亟需开发兼具应力弛豫能力、可诱导锂科布尔蠕变且低成本的防护中间层，以解决无负极全固态电池的界面与循环问题，推动其实际应用。
近日，首尔汉阳大学Taeseup Song、Ungyu Paik团队研发出镁梯度聚丙烯腈纳米纤维防护中间层（PAN@Mg）并应用于无负极全固态电池，该层通过静电纺丝与热蒸发法制备，形成富镁顶层与贫镁底层的梯度结构，兼具聚丙烯腈的高弹性与锂化镁的混合离子电子导电性，其纳米多孔结构可诱导锂发生科布尔蠕变，使锂沉积在分离后的两层 PAN@Mg 之间，既避免了锂与固态电解质的直接接触以抑制副反应和锂枝晶生长，又能通过聚丙烯腈纳米纤维的优异弹性缓解锂沉积产生的应力，防止固态电解质开裂并维持界面完整性；该超薄（约 2 μm）PAN@Mg 层适配的电池在 300 次循环后平均库伦效率达 99.94%，循环保持率较纯镁层提升 46.8%，还能将电池体积能量密度提升至 925 Wh・L⁻¹，同时在低堆叠压力下仍保持良好的界面接触与循环性能，临界电流密度也大幅提升，为无负极全固态电池的实用化提供了有效策略。
该成果以 “Mg‐Gradient Polyacrylonitrile Nanofiber Layer Enabling Li Coble Creep and Stress Relaxation in Anode‐Free All‐Solid‐State Batteries” 为题发表在 “Carbon Energy” 期刊，第一作者是 Jaeik Kim、Hyungjun Lee。
【工作要点】
设计并制备了镁梯度聚丙烯腈纳米纤维防护中间层 PAN@Mg，通过静电纺丝在 SUS 集流体上构筑纳米多孔聚丙烯腈纤维层，再经热蒸发实现镁的梯度包覆，形成富镁顶层与贫镁底层的 2 μm 超薄结构，该结构兼具聚丙烯腈的高弹性与锂化镁的混合离子电子导电性，电子电导率较纯聚丙烯腈层提升 7.7 倍，弹性功 / 塑性功比达 5.72，为锂的科布尔蠕变和应力弛豫提供了结构与性能基础。
PAN@Mg 层借助纳米多孔结构和混合离子电子导电特性诱导锂发生科布尔蠕变，锂在梯度结构中向低应力的贫镁区域迁移，最终沉积在充放电过程中分离的两层 PAN@Mg 之间，形成三明治结构，既避免了锂与固态电解质的直接接触，抑制了 Li₂S、Li₃P 等副产物生成和锂枝晶生长，又通过聚丙烯腈纤维的高弹性缓解锂沉积 / 剥离产生的内应力，防止固态电解质开裂，维持了界面的紧密接触与结构完整性。
搭载 PAN@Mg 层的无负极全固态电池展现出优异的电化学性能，室温下 300 次循环平均库伦效率达 99.94%，循环保持率较纯镁层提升 46.8%，体积能量密度可达 925 Wh・L⁻¹；该电池在 6 MPa 低堆叠压力下仍能保持稳定界面接触，临界电流密度提升至 1.5 C，锂对称电池临界电流密度更是达 4.0 mA・cm⁻²，同时电池充放电过程中的体积变化和内部压力增幅显著降低，在高倍率、低压力等实际应用条件下均具备良好的循环稳定性。
【结论】本研究证实了镁梯度包覆聚丙烯腈纳米纤维层作为无负极全固态电池防护中间层的有效性，该具有混合离子电子导电性的纳米多孔结构层可通过科布尔蠕变实现锂的均匀沉积，锂沉积过程中，聚丙烯腈纳米纤维层的富镁与贫镁区域分离为两层，锂镁合金形成于两层之间构成三明治结构，既避免了沉积锂与固态电解质的直接接触，抑制了固态电解质的降解，又依托聚丙烯腈纳米纤维层的弹性缓解了锂沉积产生的应力，维持了固态电解质的结构完整性，保障了中间层与固态电解质间的紧密接触。基于该中间层的无负极全固态电池展现出优异的循环稳定性，即便在 6 MPa 的低堆叠压力下也能稳定工作，同时厚度约 2 μm 的超薄聚丙烯腈纳米纤维层可将全固态电池的体积能量密度提升至 925 Wh・L⁻¹，该研究策略为开发高稳定性、高能量密度的全固态电池提供了重要参考。
本文由智算芯能前沿网编辑整理，转载请注明出处。