在当今新能源技术风起云涌、蓬勃发展的时代浪潮里，锂离子电池在电动汽车、电子设备等众多领域扮演着核心动力源的关键角色，其安全性与性能提升始终是科研界与产业界高度聚焦、孜孜以求的热点议题。如何在实现高离子电导率、良好机械性能的同时，有效抑制锂枝晶生长、提升热稳定性，成为制约锂电池向高能量密度、高安全性方向迈进的关键瓶颈。锂枝晶的生长不仅可能刺穿电池隔膜，引发短路等安全隐患，还会降低电池的循环寿命；而热稳定性不足则可能导致电池在高温环境下发生热失控，带来严重的安全风险。因此，探索兼具高效与安全的电解质技术成为当务之急。
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。研究团队将聚偏二氟乙烯（PVDF）、二氧化硅（SiO2）和钛酸镧锂（LLTO）三种材料相结合，采用同轴静电纺丝技术成功制备出一种具有三维核壳纤维结构的PVDF/SiO₂@LLTO准固态复合电解质（QSCE）。这种独特的纤维结构不仅有效抑制了锂枝晶的生长，显著提升了电池的热稳定性、安全性及电化学表现，更为开发高能量密度、安全可靠的储能方案提供了新的思路与实践路径。
图1：锂枝晶抑制及热稳定性展示
电解质的阻燃性和热稳定性是影响锂离子电池安全性的关键因素。研究通过多种策略协同抑制锂枝晶生长，显著提升了电池热稳定性与安全性。研究结果表明，基于PVDF/SiO2@10LLTO QSCE构建的锂对称电池在历经长时间循环测试后无明显锂枝晶生成；在160°C热收缩测试中，1小时收缩率仅为1.79%，表现出优异的热稳定性；暴露于明火时能即刻自熄，并保持结构完整，展现出色的阻燃性能及安全可靠性。
图2：具有三维纤维结构的QSCE制备工艺
制备过程中，首先合成LLTO纳米颗粒，随后将LLTO纳米颗粒与PVDF、SiO2及LiTFSI混合。采用同轴静电纺丝技术，以 PVDF/SiO₂ 溶液为内层纺丝液，LLTO 溶液为外层纺丝液，成功构建了三维核壳纤维结构。该结构中，LLTO纳米颗粒主要分布在纤维壳层，形成高效离子传导路径并增强结构稳定性，而PVDF与SiO2则构成了纤维芯层，提供良好的机械支撑并有效提升热稳定性。
图3：不同QSCE的机械与热性能特征
研究评估了不同QSCE的机械性能和热性能。研究结果表明，PVDF/SiO2@10LLTO QSCE展现出优异的热稳定性与阻燃性。进一步研究发现，无机纳米材料 LLTO 的引入可显著提升离子电导率。然而，过量添加可能对电解质的机械性能产生不利影响。研究通过机械拉伸装置对不同 LLTO 质量分数制备的 QSCE 样品进行机械性能测试，结果显示：QSCE的拉伸强度随LLTO含量的增加呈现先升后降的变化趋势。当 LLTO 含量为 10 wt%时，拉伸强度达到峰值46.8 MPa，显著高于传统Celgard隔膜、未添加LLTO及过量添加LLTO的样品，充分验证了其良好的机械稳定性。
图4：不同QSCE的电化学性能
研究系统评估了PVDF/SiO2@LLTO QSCE的电化学性能，实验数据表明其离子电导率随LLTO质量分数增加呈现先升后降的规律。当LLTO含量为10 wt%时，离子电导率在25°C达到最高值1.26×10-4 S·cm-1，同时展现出4.45V的宽电化学窗口和214.51 Ω的低界面阻抗。在电池性能测试中，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特性，初始容量达174 mAh·g-1，经过100次充放电循环后容量保持率为95%，显著优于未添加LLTO的样品及传统Celgard2325隔膜电池，充分验证了该复合电解质在提升电池综合性能方面的显著优势。
图5：不同QSCE的锂枝晶抑制能力
研究通过锂对称电池的长时间循环测试，验证了PVDF/SiO2@10LLTO QSCE对锂枝晶生长的抑制能力。研究结果表明该QSCE在400小时持续循环测试中保持稳定运行，未出现短路现象，锂负极表面始终保持光滑平整；而未添加LLTO的样品在155小时循环后发生短路，其锂负极表面可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，PVDF/SiO2@10LLTO QSCE具有良好的电极-电解质界面接触，有效阻隔了锂枝晶的穿透。
该研究所提出的同轴静电纺丝策略为开发高性能电解质提供了新思路，有效应对了锂电池中枝晶抑制与界面相容性等关键挑战。该研究为锂离子电池的安全性和性能提升提供了新的解决方案，也为下一代高能量密度、安全可靠的锂离子电池研发提供了理论参考与实践基础。
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。
颜黄苹：
厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院助理教授、硕士研究生导师。
主要从事微纳传感与检测、微纳制造及应用、柔性电子集成等领域的研究工作。
发表SCI、EI收录学术论文60余篇，授权国家发明专利10余项。主持福建省科技计划引导性项目、福建省自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金面上项目、装备预研重点实验室基金等纵向科研项目及企业委托开发项目近20项，参与国家级、省部级、市级纵向科研项目及企业委托开发项目40余项。
