近日，我校化学化工与生命科学学院刘金平教授团队青年教师夏佳乐在高安全、高比能二次电池方向取得系列重要研究进展。相关成果被国际材料领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》、《Advanced Energy Materials》和《Small》相继报道。
在全球新能源产业加速演进以及我国“双碳”战略深入实施的大背景下，高比能、高安全二次电池技术已成为支撑能源结构升级与战略性新兴产业发展的关键。当前商用锂离子电池的能量密度已接近理论上限（~400 Wh·kg⁻¹），难以满足长续航交通装备、无人系统及高端航空航天等领域对更高能量密度的迫切需求。开发新型高容量电极材料并构建固态化、高安全储能体系，已成为实现新一代高比能电池技术的关键路径。基于此，夏佳乐及其团队长期致力于超越传统的转化型正极材料、新型电解液/电解质和电池界面关键技术研究，近期在高安全、高比能二次电池领域取得多项重要突破。
一、 阐述硅/锡负极在硫化物基全固态电池应用中的挑战与机遇
硅/锡（Si/Sn）负极因其超高的理论容量（Si：3579 mAh g-1，Sn：992 mAh g-1）、资源丰富及环境友好等优势，被视为突破传统石墨负极能量密度瓶颈的关键候选材料。然而，其在液态体系中存在严重体积膨胀、界面失效等问题，长期制约其实际应用。硫化物基固态电解质具有高离子电导率与良好机械韧性，可有效缓冲Si/Sn负极体积变化、保持界面稳定性，是推动Si/Sn负极走向全固态锂电池应用的关键。针对此，团队系统梳理了Si/Sn基负极在硫化物基全固态锂电池中的关键科学问题与最新研究进展，从电极结构设计、固态界面调控、器件构筑等方面进行了深入阐述，提出了Si/Sn基负极在未来研究中的核心挑战与研究机遇，为构建高比能固态电池提供了重要理论参考。成果以“Silicon/Tin-Based Anodes for All-Solid-State Lithium-Ion Batteries with Sulfide Electrolytes”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，夏佳乐副教授、刘金平教授以及华中科技大学李园园副教授为论文共同通讯作者。
图1. Si/Sn负极在硫化物基全固态电池中的应用概述
二、高离子电导、高空气稳定性的复合硫化物固态电解质设计
复合硫化物电解质（CSE）因兼具高离子电导率和高机械强度，在全固态锂电池领域具有巨大应用前景。然而，空气稳定性差、常规聚合物粘结剂导致离子电导下降等问题制约了其实际应用。本研究提出独特的 “盐包聚合物”（Polymer-in-salt）粘结剂策略，结合界面表面工程，实现同时具备高离子电导、高柔性与优异空气稳定性的CSE。通过简便的湿法工艺，利用PVDF-HFP基“盐包聚合物”粘合剂构建了连续的快离子传输网络，使CSE在室温下仍保持超高离子电导率（>10-3 S cm-1）。通过构建离子导电疏水层（IHL），使电解质膜在相对湿度>70%条件下仍保持优异稳定性。基于该高性能电解质组装的全电池展现出高容量和优异的循环稳定性，为开发高性能CSE基全固态锂电池提供了新思路。成果以“Designing High-Ionic-Conductivity and Air-Stable Composite Sulfide Electrolytes via Polymer-in-Salt Binder with Surface Engineering for All-Solid-State Lithium Batteries”为题在《Small》上发表，夏佳乐副教授与刘金平教授为该论文的共同通讯作者。
图2. “盐包聚合物”基复合硫化物电解质示意图
三、通过可编程固态电解质界面实现锂硫电池电化学性能与自放电的同步优化
锂硫电池具有极高理论能量密度（2600 Wh·kg⁻¹），但在实用化条件下面临循环性能不足与自放电严重的双重挑战，且二者往往难以兼得。该研究提出一种基于可编程固态电解质界面（SEI）层实现的“禁锢”策略。利用TiO2-x与碳材料不同的成膜电势，通过电压调控实现 SEI 选择性地生长于TiO2-x @C空心结构外壁。工作时，中空球内部结构保持开放以提供高效催化位点，同时外层 SEI 阻隔多硫化物迁移，使其在球腔内达到饱和，借助“饱和禁止效应”显著抑制自放电。该策略首次实现了实用化条件下电化学性能和自放电的平衡优化。成果以“Programmable Solid Electrolyte Interphase Enables Simultaneous Optimization of Electrochemical Performance and Self-Discharge of Lithium Sulfur Batteries under Practical Conditions”为题在《Advanced Energy Materials》上发表，夏佳乐副教授、刘金平教授以及郑州大学郭俊岭教授为论文的共同通讯作者。
图3. 可编程 SEI 同步优化电化学性能和自放电的示意图
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202520090
https://doi.org/10.1002/smll.202503875
https://doi.org/10.1002/aenm.202500355
夏佳乐博士简介：
夏佳乐，武汉理工大学化生学院特设副教授，湖北省高层次人才。2022年博士毕业于西安交通大学，2019-2022年期间在马里兰大学-帕克分校开展访问研究，合作导师为王春生教授，2023年加入武汉理工大学化生学院。主要从事超越传统的转化型正极材料、新型电解液/电解质和电池界面关键技术研究。迄今已发表论文30余篇，其中第一/共一/通讯作者身份在Nature Sustainability、Angewandte Chemie、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等期刊发表论文17篇，申请发明专利7项。
（供稿：夏佳乐 韩卫 审稿：刘金平 李俊升）