【儀表網 研發快訊】全固態鋰電池是未來高性能儲能和動力電池的發展方向，因此設計具有優異離子傳輸、寬電化學窗口和避免鋰枝晶生長與電池短路的固態電解質是開發先進全固態電池的關鍵。固態電解質的鋰離子(Li+)傳導能力取決于其化學環境和相應的傳輸路徑，理想固態電解質中Li+的傳輸行為應盡可能的接近并超過液體電解質。聚合物電解質(例如聚環氧乙烷，PEO)中的離子傳輸性質與液體相似，然而受制于緩慢的鏈段運動，其離子電導率和遷移數較低。無機晶體電解質支持快速離子傳輸和高遷移數，但其同電極的界面接觸較差且離子傳輸受制于晶格周期性和晶體顆粒形成的晶界接觸與之間的取向。
北大深圳研究生院新材料學院潘鋒團隊在2016—2019年承擔并完成“材料基因工程研發全固態鋰電池及關鍵材料”的國家重點研發專項，創建了固態鋰電池界面“納米潤濕(Nano-wetting)”(Adv. Mater，2017, 1704436)新方法，發現了固態鋰電池臨界電流短路是起因于鋰枝晶在晶界瞬間生長的機理(Adv. Energy Mater, 2019，1900671)。從第一性原理上講要消除晶界鋰枝晶生長在根本的方法是用沒有晶界材料——玻璃態材料。然而，一般的玻璃態特性導致的長程無序性限制了對該體系離子傳輸。潘鋒團隊基于在鋰電池材料基因研究建立的材料結構大數據，發現了系列的一維方向有化學鍵連接而在其它兩個維度方向沒有化學鍵連接的“一維材料”(類比石墨烯的發現，用膠帶紙可以不斷地撕成的“一維材料”)有上百類(National Science Review，2022, nwac028)。氯化物晶體電解質具有各向同性和鋰離子電導率高的特點，有望實現Li+的自由高效傳輸。潘鋒團隊基于材料基因大數據選出氯化物具有“一維材料”結構特征，預測其鋰離子能快速沿一維通道(一維的有序性)快速傳輸的類型并使其形成玻璃態體系材料，具有有序性一維通道傳輸鋰離子來超越整體的長程無序性的影響，用于發展從本征上消除晶界與鋰枝晶的“玻璃態的固態電解質”。
一維ZrCl4基質的鋰鹽解離機理與離子傳輸模式
針對上述理論預測和材料設計，潘鋒團隊利用具有類無機聚合物鏈狀結構的一維ZrCl4基質實現了多種鋰鹽(如LiCl、Li2SO4和Li3PO4)的解離，制備了一系列玻璃態氯化物電解質。借助差示掃描量熱法(DSC)、原子對分布函數 (PDF)、固態核磁(ssNMR)、聚焦離子束-透射電鏡(FIB-TEM)等表征手段證實了電解質的玻璃態特性并結合分子動力學模擬(MD)驗證了獨特的離子傳輸模式。具體而言，解離的Li+同[ZrCl6]八面體配位并沿著ZrCl4鏈(由[ZrCl6]單元共邊連接而成)快速傳導，表現出與聚合物類似的離子傳輸。同時，ZrCl4的路易斯酸性能夠捕獲陰離子，從而實現接近1的高鋰離子遷移數。受益于獨特的離子傳輸機制及陰離子化學的作用，1/3Li3PO4@ZrCl4電解質表現出高離子電導率(1.2mS/cm)、寬電化學窗口和低成本，能夠實現LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2||Li-In電池的長效循環。這種設計策略同樣能夠拓展到鈉離子導體的合成，制備的1/3Na3PO4@ZrCl4具有0.3 mS/cm的高離子電導率。此類ZrCl4基電解質展示了一種未被報道的離子傳導機制，為定制先進的固態電解質提供了一種通用方法。相關研究成果以“1D ZrCl4 Matrices for Enhanced Ion Transport in Glassy Chloride Electrolytes”為題，發表于國際知名期刊《先進能源材料》上。(Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.202500913 ，影響因子25)
該工作在潘鋒，楊盧奕副研究員的共同指導下完成，北京大學深圳研究生院博士后宋永利(現江蘇大學資格教授)、博士畢業生薛詩達、碩士生徐梓晉為該論文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金、電動汽車動力電池與材料國際聯合研究中心、廣東省新能源材料設計與計算重點實驗室、深圳市新能源材料基因組制備和檢測重點實驗室的支持。
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