在寻求更安全、更高能量密度的下一代电池技术中，固态锂电池（SSLBs）因其固有的安全性和高能量密度而备受关注。然而，电极材料与固态电解质（SE）之间较大的界面阻抗和较差的物理接触（图1a–b）一直是制约SSLBs实际应用的主要障碍。近日，松山湖材料实验室能源转换与存储材料团队与华南农业大学的合作者在固态锂电池界面工程领域取得重要突破。团队成功开发了一种通用策略，通过在电极材料表面引入共价键合，显著降低了电极材料和固态电解质的界面电阻；相应地，SSLBs的电化学稳定性和机械强度得到了显著提高（图1c）。该研究展示了通过材料表面化学改性来优化固态电池性能的新途径，为固态电池界面工程研究提供了新的思路。

图1. 固态锂电池中不同类型电极/固态电解质界面接触的示意图。(a) A 型：活性电极材料仅在平面电极/固态电解质界面与固态电解质有物理接触。(b) B 型：活性电极材料和固态电解质相互渗透，但彼此不能很好地兼容。因此，电解材料和固态电解质之间会形成空隙，电极/固态电解质界面通常只有物理接触。(c) C 型：本研究提出的电极/固态电解质界面，其中表面功能化的活性电极材料与固态电解质通过共价化学键形成全方位的紧密接触。(d) 活性电极材料与固态电解质之间共价键的构建示意图。

研究团队通过在电极材料表面引入C=C基团，并利用原位自由基引发的共聚反应，与固态电解质中的端羟基反应，构建了共价键合的电极/固态电解质界面（图1d）。该策略不仅适用于多种正负极材料和固态电解质，而且在实际应用中表现出优异的电化学性能。特别是，以改性LiFePO₄（R-LFP）作为正极材料、Li_6.75La₃Zr_1.75Ta_0.25O₁₂/PEO/LiTFSI/丝素蛋白复合物作为固态复合电解质（SCE）、金属锂作为负极的SSLBs，在2C的充放电倍率下，可实现超过2200个循环的可逆充放电，且容量保持率超过80%（图2a–c）。此外，使用超高镍含量的改性LiNi_0.96Co_0.03Mn_0.01O₂ （R-NCM96）作为正极材料、聚合物固态电解质（SPE）为SE的SSLBs，展现了高达201.8 mAh g^-1的高比容量（图2d–f），这一结果在同类研究中处于领先水平。

研究团队通过在电极材料表面引入C=C基团，并利用原位自由基引发的共聚反应，与固态电解质中的端羟基反应，构建了共价键合的电极/固态电解质界面（图1d）。该策略不仅适用于多种正负极材料和固态电解质，而且在实际应用中表现出优异的电化学性能。特别是，以改性LiFePO₄（R-LFP）作为正极材料、Li_6.75La₃Zr_1.75Ta_0.25O₁₂/PEO/LiTFSI/丝素蛋白复合物作为固态复合电解质（SCE）、金属锂作为负极的SSLBs，在2C的充放电倍率下，可实现超过2200个循环的可逆充放电，且容量保持率超过80%（图2a–c）。此外，使用超高镍含量的改性LiNi_0.96Co_0.03Mn_0.01O₂ （R-NCM96）作为正极材料、聚合物固态电解质（SPE）为SE的SSLBs，展现了高达201.8 mAh g^-1的高比容量（图2d–f），这一结果在同类研究中处于领先水平。

研究团队通过相场模拟和全面的电化学测试，明确证实了界面电阻的降低和电极材料/电解质界面的紧密结合有助于不同充电状态下的Li⁺传输（图3）。值得一提的是，共价键合界面赋予了SSLBs出色的电化学/机械稳定性。研究团队证明，即使在各种弯曲状态下，R-LFP‖SPE‖Li（或石墨）柔性SSLBs也能正常工作，而没有共价键合界面的电池（LFP‖SPE‖Li）在机械变形下性能会迅速衰减甚至失效（图4）。这种机械强度的提高，使得电池能够适应更加严苛的使用条件，为电池在可穿戴设备、柔性显示屏以及便携式电子设备中的应用提供了新的可能性。

图3. 在 5–100% SOCs 条件下，锂离子在 (a) LFP 正极和 (b) R-LFP 正极内的浓度场。在 5–100% SOC 条件下，锂离子在 (c) LFP 正极和 (d) R-LFP 正极内的浓度分布。(e–f) 根据不同SOCs 下的 EIS 数据计算得出的 R-LFP ‖ SPE ‖ Li 和 LFP ‖ SPE ‖ Li 电池的弛豫时间分布（DRT）结果和 (g) 正极/SPE 界面的 Rp(S4) （电荷转移阻抗）值。