一組中國研究人員開發出一種靈活的複合固體電解質，該電解質在無外部壓力下仍能提供類似液體的離子導電性。這一進展可能簡化全固態鋰電池的設計，因為這類電池通常面臨快速離子傳輸與機械穩定性之間的取捨。固體電解質被認為對於更安全且能量密度更高的電池至關重要，因為它們取代了易燃的液體電解質。然而，許多高導電性的固體材料都非常脆弱，並需要施加較大的堆壓以保持電池元件之間的接觸，這樣會增加系統的複雜性和成本。
新的設計通過在分層結構中將離子導電性與機械靈活性分開來解決這一限制。研究團隊並不是依賴一種材料來完成所有功能，而是構建了一種複合架構，將不同的功能分配給不同的層。該電解質由垂直對齊的 LixMyPS3（簡稱 LiMPS，M 代表 Cd 或 Mn）和聚乙烯氧化物層交替組成。無機納米片創造了連續的超離子通道，而聚合物層則提供靈活性並有助於保持電極之間的緊密接觸。
在測試中，PA-LiCdPS/PEO 版本在 25°C 時達到 10.2 mS cm-1 的離子導電性，與液體電解質相當。使用錳的類似結構 PA-LiMnPS/PEO 在相同溫度下達到了 6.1 mS cm-1，證明了這一結構概念在不同化學系統中均有效。除了導電性外，該材料還保持了機械靈活性，這使得電池單元在循環過程中能夠容納電極體積的變化，而無需施加大量外部壓力。大多數高導電性固體電解質需要數十到數百 MPa 的外部壓力才能正常運作。
研究人員在工作電池單元中演示了該電解質。使用 PA-LiCdPS/PEO 材料的 Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 硬幣電池在堆壓低於 0.5 MPa 的情況下，在 600 個循環後仍保持 92% 的容量。相同的電解質還支持在堆壓低於 0.1 MPa 的情況下運作的無壓 Li||LiFePO4 袋式電池。
在無需高堆壓的情況下運作，消除了對複雜固定裝置和重型夾具系統的需求，這可能簡化製造過程並使固態電池組更容易擴展。研究團隊還解決了以硫化物為基礎電解質的一個常見弱點：對空氣的敏感性。傳統的硫化物材料在潮濕空氣中可能在幾分鐘內降解，通常會釋放氫硫氣體。相對而言，PA-LiMPS/PEO 電解質在潮濕空氣中暴露七天後，仍保持高導電性且氫硫氣體的釋放量微乎其微。
通過在仿生靈活框架內構建連續的超離子通道，研究人員展示了高離子導電性和機械柔韌性並不必相互競爭。這一分層架構使兩者能夠共存，而不必以妥協一項性能來改善另一項。如果這一方法能夠擴展，將可能使固態電池在電動車和電網儲能等實際應用中更接近可行性，因為在這些領域中，安全性、耐用性和簡化組裝至關重要。該研究發表於《Nature Nanotechnology》。
