图1 | SPE中Li⁺穿梭巴士示意图。 a 在微观一维界面上用于快速Li⁺传输的Li⁺穿梭巴士。b 块体聚合物中缓慢无序的Li⁺传输。c 在PNT-SPE微观一维界面上的集体协调快速Li⁺传输。
材料设计与微观机制。 研究以
电化学性能与界面稳定性。 PNT-SPE在28°C下离子电导率0.92×10⁻³ S cm⁻¹，-40°C仍达0.26×10⁻³ S cm⁻¹；活化能仅0.20 eV，低于PV-SPE（0.38 eV）、HNT-SPE（0.31 eV）和CNT-SPE（0.23 eV）（图2b）。其t_Li⁺高达0.92，接近单离子传导，而PV-SPE仅0.44（图2c）。操作态EIS结合DRT分析表明，PNT-SPE界面电阻变化小、电荷转移电阻低，界面稳定（图2d–2i）；LSV显示其氧化电位达5.05 V，兼容高压正极（图2j）；拉伸强度16.1 MPa（图2k），150°C下不收缩，微量热测试显著降低热释放（图2l），安全性突出。
一维快速传输机制。 DFT计算表明，LiTFSI在PNT上的解离能垒仅0.25 eV，较PVDF-HFP（0.62 eV）降低约50%（图3a）；PNT对Li⁺吸附能达-1.50 eV，远强于CNT（-1.12 eV）、HNT（-0.89 eV）和PVDF-HFP（-0.56 eV）（图3b）。TOF-SIMS证实Li⁺显著富集于PNT表面（图3c–3e）。随着Li⁺积累，单个Li⁺脱附能从0.57 eV降至0.13 eV（降低77%），库仑排斥成为驱动Li⁺快速迁移的关键（图3f）。PNT上Li⁺扩散能垒仅0.23 eV，低于PVDF-HFP（0.42 eV）、HNT（0.34 eV）和CNT（0.30 eV）（图3g）。MD模拟显示超过75%的Li⁺向PNT附近聚集扩散，形成一维限域传输（图3h、3i）；Li-Li径向分布函数峰强与配位数降低、峰位右移，证实离子间强库仑排斥抑制了紧密团簇形成，促进弱溶剂化与快速迁移（图3j、3k）。
锂沉积与SEI调控。 Li||Li对称电池中，PNT-SPE在0.1 mA cm⁻²下稳定循环超8700小时（图4a），临界电流密度达2.9 mA cm⁻²；Li|Cu电池库仑效率97.8%。循环后SEM显示PNT-SPE下锂沉积致密均匀、无枝晶（图4b、4c）。XPS与HR-TEM表明其形成薄而均匀、富LiF的无机SEI层，F原子比例显著高于对照（图4d–4i）；AFM显示SEI平均模量高、粗糙度低，机械稳定性优异（图4l–4n）。DFT揭示PNT上TFSI的LUMO能级更低，促进其分解形成富LiF SEI，有效抑制副反应与枝晶。
全电池性能。 Li|PNT-SPE|LFP电池在1C和5C下分别提供147和115 mAh g⁻¹容量（图5a、5b）；1C下1000次循环保持83%（图5c），5C下约5000次循环保持92%（图5d），性能优于已报道快充LMB（图5e）。低温-40°C下初始容量103 mAh g⁻¹，900次循环保持77%（图5f、5g）。高压Li|NCM811和Li|LCO电池循环超500次，容量保持率超80%（图5h）。Li|LFP软包电池1C下250次循环保持97.9%，弯曲剪切下仍可供电（图5i）。安时级Li|NCM811软包电池比能达508 Wh kg⁻¹，200次循环保持95.2%；-20°C下100次循环保持91.6%，比能284 Wh kg⁻¹，并在-40°C至60°C极端温度下稳定为LED供电（图5j、5k）。
综上，该工作通过“锂离子穿梭巴士”策略，在一维带电界面上同步解决了锂盐解离、传输路径与传输动力学三大难题，实现了高离子电导率、高迁移数、宽温域快充与高比能固态电池的协同提升，为下一代固态锂金属电池的实用化提供了新的材料创作构想。