材料学院黄妍斐教授团队Nat. Commun.：压电效应抑制复合固态PVDF电解质浓差极化！

2026年4月30日，深圳大学材料学院黄妍斐教授团队联合清华大学深圳国际研究院贺艳兵教授团队，在自然指数期刊Nature Communications（《自然·通讯》）上发表题为“Suppressing concentration polarization in lithium battery composite polymer electrolytes via piezo-assisted electromechanical coupling effect”（基于压电辅助机电耦合效应抑制锂电池复合聚合物电解质浓差极化）的研究论文。深圳大学材料学院尹佳一博士后为本工作的唯一第一作者，贺艳兵教授和黄妍斐教授为该论文通讯作者，深圳大学为论文第一完成单位。

集成功能填料的聚合物复合电解质（PCEs），已成为高安全性固态锂金属电池（SSLMBs）的变革性候选材料。目前，SSLMBs仍然面临较差的循环稳定性，尤其是在高电流密度下，这与锂枝晶生长导致短路失效高度相关。正如Chazalviel模型所提出的，当电流密度超过临界值时，负极附近的阳离子浓度持续消耗，经过一定时间（定义为Sand时间）后降至零，这会在电极处产生巨大的空间电荷和电场，导致不可避免的枝晶生长。此外，由于非平衡离子分布和显著的浓差极化，电池还容易出现其他不良性能，例如低电导率、窄工作电压范围等。因此，策略性地抑制浓差极化是实现SSLMBs在高电流密度下长循环稳定的重要基石。根据浓度梯度（ΔC ≈ L D₋ /F D₊）的定义，合理地提高Li⁺扩散系数（D₊）同时限制阴离子扩散系数（D₋）构成了缓解电解质浓度梯度的基本设计准则，能从根本上抑制浓差极化。

针对这一背景，本研究制备了一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）与0.5Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-0.5(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃（BCTZ）共混的压电聚合物复合电解质，该电解质利用锂金属负极在循环过程中的体积波动，产生梯度压电场，选择性地加速了Li⁺，同时阻碍了阴离子的运动，从根本上抑制了浓差极化（图1）。因此，所制备的电解质表现出相对较低的浓差极化，实现了高达3.7 mA cm⁻2的高临界电流密度，即使在2 mA cm⁻2的高电流密度下也能实现稳定Li沉积/剥离，并且在2.8至4.5 V的电位窗口内，Li||Ni_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂全电池实现了超过2600次的循环稳定性。该研究提出了一种力-电化学转换策略，通过构建压电电解质，主动利用锂金属不可避免的体积波动来最小化Li⁺浓度梯度，为锂金属电池的高性能化提供了一条有效路径。

图1 | 压电辅助机电耦合效应调控浓差极化。(a) 在非压电PCE中，离子的传输由电化学势驱动，易产生高浓度梯度。(b) 在压电PCE中，充电过程中锂金属负极的膨胀导致电解质中产生梯度的压电势梯度，协助离子传输并导致低浓度梯度。

图2 | (a) 含锂盐的PVDF-BTO PCE和PVDF-BCTZ PCE的相位-电压曲线和振幅-电压曲线。 (b) 纯PVDF膜、PVDF-BTO膜和PVDF-BCTZ膜的开路电压随时间变化曲线。 (c) 5 V电压下PVDF-BCTZ电解质的隧穿原子力显微镜（TUNA）电流，插图展示了峰值力隧穿原子力显微镜（PFTUNA）示意图。(d) 外部扭转下的离子电导及其拟合线，插图展示了拟合线的斜率值。(e) 在不同电流密度下组装的对称Li||Li电池的浓差极化值（柱状图）及其占总极化的比例（折线图）。(f) 近年来报道的基于PVDF复合电解质的临界电流密度值对比。(g) 对称电池在0.1 mA cm^–2、0.1 mAh cm^–2条件下的恒流循环曲线。 (h) NCM811||PVDF-BCTZ||Li电池在 360 mA g^–1电流密度、2.8至4.3 V。(i) NCM811||PVDF-BCTZ||Li电池在900 mA g^–1电流密度、2.8至4.5 V条件下的循环稳定性。

论文作者感谢国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技研发资金、深圳市全固态锂电池电解质工程研究中心升级项目、深圳大学2035追求卓越研究计划、榆林创新院清洁能源“能源革命”科技计划等专项的资助。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72527-0。