全固态锂离子电池（ASSLBs）因其出色的安全性特点，被广泛认为是未来储能技术的核心所在；同时，固态电解质（SE）的性能优劣直接影响到电池系统的能量密度以及安全性。硫化物类固态电解质，例如Li₂PS₂Cl和Li₁₀GeP₂S₁₂，它们在常温下展现出卓越的离子电导率（介于10⁻³至10⁻² S cm⁻¹）以及良好的机械延展性。然而，这些材料在产业化进程中面临一个根本性的挑战：即厚度与机械性能之间的固有冲突。过厚的电解质虽然能有效抑制锂枝晶的生长，但同时也会提升内阻，进而降低能量密度；而过于薄弱的电解质则会导致机械强度显著下降，从而增加了枝晶穿透的风险。硫化物薄膜对湿度的敏感性和其脆性引发的针孔问题，进一步加大了规模化生产的难度。目前通用的干法、框架支撑和湿法这三种制备技术，各自存在难以克服的难题——干法技术中使用的粘结剂容易发生碳化，框架支撑结构会延长离子的传输路径，而湿法技术则因为传统粘结剂与硫化物不兼容而受到限制。因此，研发出既超薄又具有高强度和高离子导电率的电解质膜，成为了突破当前困境的关键所在。

中南大学王德志教授和吴壮志教授共同提出了聚醋酸乙烯酯（PVAC）粘结剂的新概念，并采用湿法涂布技术，成功实现了硫化物电解质膜技术的重大突破。密度泛函理论计算结果表明，PVAC粘结剂通过与硫化物电解质形成羰基-锂配位（Li-O键），产生了高达-0.90 eV的强界面结合能。此复合电解质膜E-LPSCI1.5，厚度仅为50微米，其抗拉强度高达1.2兆帕，离子电导率更是提升到了2.80毫西门子每厘米平方。该膜的临界电流密度达到了3.18毫安每厘米平方，在1.27毫安每厘米平方的条件下，能够实现1000小时的稳定锂沉积与剥离。全电池在经过0.5C的循环测试200次后，其容量保持率达到了87.30%。同时，软包电池在经历了180°的弯曲、切割以及穿刺等安全测试后，依然保持了其电化学性能。这项研究首次在分子层面上揭示了粘结剂与电解质之间的化学键合机制，为开发具有高稳定性的全固态电池开辟了新的路径。

分子设计引领材料革新

研究采用理论计算对PVAC粘结剂进行了筛选（如图1所示），该粘结剂的分子结构中，非极性的碳氢主链（–CH₂–CH–）赋予了其良好的溶剂相容性；而极性的酯基侧链（–O–CO–CH₃）则能够与电解质形成Li-O配位键（键长为1.93 Å），其结合能显著高于常规粘结剂（例如，PEVA的键长为2.06 Å）。PVDF的界面结合能相对较低，仅为-1.76 eV，然而，其极性溶剂的加工特性却与湿法工艺存在不匹配。PVAC具有双极性结构，电化学稳定窗口较宽，超过4.5 V，且软化温度较低，仅为38℃，这些特性为减轻电极与电解质界面之间的应力提供了坚实的基础。

图1 a) 展示了PVAC在LPSCI(001)表面的吸附形态；b-i) 部分则描绘了不同粘结剂在LPSCI(001)表面吸附时产生的电子密度变化以及吸附自由能(ΔEads)的差异，其中黄色区域代表电子的累积，而青色区域则表示电子的耗尽。

湿法工艺实现超薄高密

图2呈现了湿法成膜的过程：首先，将PVAC与经过湿法球磨优化的硫化物粉体（S-LPSCI1.5，粒径约为3微米）在二甲苯中进行混合涂布，随后通过干燥辊压技术制成电解质膜。在7% PVAC配方的浆料中，浆料分布均匀（如图2b所示），最终形成了厚度为47微米的柔性薄膜（如图2c至f所示）。电镜扫描结果显示，PVAC（以黑色区域呈现）与硫化物（以灰色显示）实现了均匀的复合（参见图2g-h），其元素分布均匀一致，孔隙率仅为0.0918%（如图4g-n所示），这一数据远低于干压片的17.23%孔隙率（如图4a-f所示），表现出显著的优越性。

图2 a) 展示了E-LPSCI1.5薄膜的制备流程；b) 描述了PVAC与S-LPSCI1.5在二甲苯溶液中的分散情况；c-e) 为E-LPSCI1.5薄膜的光学图像；f) 展示了薄膜厚度的测量过程；g) 和h) 分别为薄膜表面的扫描电镜图和截面扫描电镜图，并附有相应的元素分布图。

性能全面超越传统体系

电化学测试（图3）显示，7%的PVAC膜具有最高的离子电导率，达到2.80 mS cm⁻¹（图3a-c），而电子电导率则低至10⁻⁸ S cm⁻¹。XRD与拉曼光谱分析结果表明，PVAC并未对电解质的晶体结构造成破坏（图3d-e）。此外，FTIR分析证实了PVAC在复合体系中表现出良好的化学稳定性（图3f）。空气稳定性测试结果表明，E-LPSCI1.5的硫化氢产生速度较纯硫化物膜减少了50%（见图3g），这一现象主要归功于其较低的孔隙率和粘结剂封装带来的效果。力学性能测试进一步显示，其屈服强度达到1.0 MPa，极限抗拉强度为1.2 MPa（见图3h），整体性能明显优于相关文献中的报道（见图3i）。

图3 a) 展示了不同电解质膜的离子电导率随温度变化的曲线；b) 包含了电子电导率的测试结果；c) 提供了电子电导率的数值数据；d) 展示了XRD谱图；e) 以及拉曼光谱；f) 展示了PVAC与复合膜的FTIR谱；g) 对比了空气稳定性；h) 展示了E-LPSCI1.5的应力-应变曲线；i) 与文献中的室温离子电导率进行了对比。

图4展示了S-LPSCI1.5压片（a-f）与E-LPSCI1.5膜（g-n）的X射线断层扫描二维/三维重建图像，具体包括：(a,b)部分为压片的形态；(c,d)部分展示了硫化物的分布情况；(e,f)部分呈现了孔隙和裂纹的分布；(g,h)部分揭示了膜的结构；(i,j)部分再次展示了硫化物的分布；(k,l)部分呈现了PVAC的分布；(m,n)部分则展示了孔隙的分布。

安全性能通过极端验证

图5所示的锂对称电池测试结果表明，E-LPSCI1.5的临界电流密度达到了3.18 mA cm⁻²，这一数值是干压粉体临界电流密度的两倍，即1.59 mA cm⁻²。在循环测试后，其截面并未出现枝晶（如图5g所示）。在图6的全电池测试中，E-LPSCI1.5基电池在0.5C的循环条件下，经过200次循环后，其容量保持率为87.3%（如图6c所示），这一性能远超无粘结剂体系，后者在同一条件下的容量保持率仅为58.83%。软包电池（如图6f所示）在0.2C的循环条件下，经过200次充放电后，其容量仍能保持81.67%（详见图6g）。此外，它还成功通过了180°弯曲、切割以及穿刺等力学测试（具体见图6i）：在弯曲之后，电池的功能依旧完好；切割之后，虽然LED的亮度有所减弱，但并未发生燃烧或爆炸；即便在穿刺之后，电池仍能正常工作。这些测试结果充分证明了该软包电池的机械强度以及其固有的安全性。

图5 a-c）展示了不同锂对称电池的临界电流密度测试结果；d）部分呈现了其长循环性能；e-g）则提供了循环后电池截面的扫描电镜图像；而h-j）部分则是锂枝晶生长机制的示意图。

图6 a) 展示了模组电池的结构；b) 提供了截面扫描电镜下的元素分布情况；c) 分析了循环性能；d) 和e) 展示了充放电曲线；f) 描述了软包电池的结构；g) 再次分析了循环性能；h) 展示了首圈充放电曲线；i) 进行了安全与机械性能的测试。

本项研究运用多尺度分析方法，首次在分子结构领域揭示了粘结剂与电解质之间的化学键合作用，并制定了超薄且高强度硫化物电解质膜的制备新规范。PVAC粘结剂体系为高安全性、长寿命的全固态电池的研发提供了新颖的材料设计理念和可推广的制造方法，进而加速了产业化的发展步伐。