『锂电』深圳大学 & 清华大学 NC:压电辅助力电耦合效应抑制浓差极化,打造高倍率长循环复合聚合物电解质
复合聚合物电解质（PCE）在高电流下存在严重浓差极化，直接引发锂枝晶与循环失效：1）Li⁺传输缓慢、阴离子迁移不受控，形成高浓度梯度，触发 Sand 效应与枝晶生长；2）传统阻抑阴离子策略会降低离子电导率、恶化界面，无法兼顾电导与低极化；3）锂负极循环体积起伏产生动态应力，破坏 SEI、增大界面阻抗，一直被视为有害因素；4）高倍率下极化急剧攀升，临界电流密度低、长循环稳定性差，难以满足实用需求。在不牺牲离子电导率与界面稳定性的前提下，主动利用负极体积起伏、同步加速 Li⁺并阻滞阴离子，是破解浓差极化的核心瓶颈。本研究构建PVDF-BCZT 压电复合聚合物电解质，首创压电辅助力电耦合效应：利用锂负极循环体积起伏产生梯度压电场，从负极到正极逐步递减；压电场作为额外驱动力选择性加速 Li⁺迁移、抑制阴离子运动，从根源削弱浓差极化；BCZT 压电填料提升介电与极化性能，促进锂盐解离，实现高离子电导；原位构建薄而稳定的无机富集 SEI/CEI，抑制副反应与结构衰变。电解质临界电流密度高达3.7 mA cm⁻²，Li||NCM811 全电池900 mA g⁻¹、4.5 V 高压下稳定循环 2600 圈。①策略原创：首次提出压电辅助力电耦合效应，主动将负极体积起伏转化为抑极化驱动力；②机制突破：建立梯度压电场→选择性调控 Li⁺/ 阴离子迁移→抑制浓差极化全新机制；③性能突破：实现3.7 mA cm⁻² 超高临界电流密度、2600 圈高压长循环，高倍率性能领跑。图 1 压电辅助力电耦合效应示意图。(a) 无压电 PCE 中离子在电化学势驱动下传输，形成高浓差梯度；(b) 压电 PCE 中负极膨胀产生梯度压电势，辅助离子传输并形成低浓差梯度。1）无压电体系：仅靠电化学势驱动，Li⁺与阴离子迁移失衡，浓差极化大；2）压电体系：负极体积起伏激发梯度压电场，定向加速 Li⁺、阻滞阴离子；图 2 电解质结构与压电特性。(a) BCTZ 的 SEM 图；(b) BCTZ 的 HRTEM 图；(c) 电解质 XRD 图谱；(d) 无盐薄膜介电常数；(e) 无盐 PVDF-BCZT 的 P-E 曲线；(f) 含盐电解质 PFM 相位与振幅曲线；(g) 压电测试原理；(h) 薄膜压电开路电压响应。1）BCTZ 呈纳米棒形貌，四方相、自发极化强，压电性能突出；2）PVDF-BCZT 介电常数（18.5）与剩余极化（3.1 μC cm⁻²）显著提升；3）微观 PFM 与宏观压电测试证实稳定压电场生成，响应可达 600 mV。图 3 电解质性质与压电场辅助传输分析。(a) 拉曼光谱；(b) FSI⁻存在形式定量；(c) 离子电导率阿伦尼乌斯曲线；(d) TUNA 电流分布；(e) 外力下离子电导变化；(f) 浓差极化数值与占比；(g–l) 仿真压电场、Li⁺浓度与浓度变化分布。1）自由 FSI⁻占比达45.5%，锂盐解离更充分，离子电导率7.13×10⁻⁴ S cm⁻¹；2）压电场使Li⁺通量显著提升，电导对应力敏感响应；3）浓差极化值与占比大幅降低，仿真证实 Li⁺浓度梯度更平缓。图 4 电化学性能与稳定性。(a) Tafel 曲线；(b) 临界电流密度；(c) 近年 PVDF 基电解质 CCD 对比；(d) 0.1 mA cm⁻² 对称电池循环；(e) 1 mA cm⁻² 对称电池循环；(f) NCM811 半电池 CV；(g) 倍率性能；(h) 360 mA g⁻¹ 长循环；(i) 900 mA g⁻¹、4.5 V 长循环。1）对称电池交换电流密度高，临界电流密度 3.7 mA cm⁻²；2）0.1 mA cm⁻² 稳定循环2200 h，1 mA cm⁻² 稳定320 h；3）全电池900 mA g⁻¹、2.8–4.5 V循环 2600 圈，容量保持70%。图 5 循环电极与界面表征。(a,b) 循环锂负极 SEM；(c,d) SEI 元素比例；(e,f) C 1s XPS；(g,h) N 1s XPS；(i,j) NCM811 TEM；(k,l) NCM811 原位 XRD。1）PVDF-BCZT 体系锂负极平整致密、无枝晶，SEI 无机组分富集；2）NCM811 表面 CEI 更薄更均匀，无颗粒开裂、结构完整；3）原位 XRD 证实H1-M/M-H2/H2-H3 相变完全可逆，晶格稳定性优异。本研究开创压电辅助力电耦合效应全新策略，将锂负极体积起伏转化为抑极化驱动力：1）梯度压电场精准加速 Li⁺、阻滞阴离子，彻底缓解浓差极化；2）BCZT 填料提升介电与极化，实现高离子电导、低活化能；3）界面形成无机富集稳定 SEI/CEI，抑制副反应、保护电极结构；4）实现3.7 mA cm⁻² 超高 CCD、2600 圈高压长循环，突破高倍率固态电池瓶颈。该工作建立机械 - 电化学能量转换新范式，为高倍率、长寿命、高安全固态锂金属电池提供全新解决方案。Suppressing concentration polarization in lithium battery composite polymer electrolytes via piezo-assisted electromechanical coupling effect.Nature Communications,2026; https://doi.org/10.1038/s41467-026-72527-0本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
