顆粒在線訊：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛使用（如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等），二次電池的高存儲(chǔ)能力、安全可靠性至關(guān)重要。金屬鋰電池由于較高的比能量，被認(rèn)為是下一代頗有潛力的高比能電池體系，而高活潑的金屬鋰負(fù)極與液態(tài)電解液間的副反應(yīng)帶來的安全隱患，使金屬鋰電池的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)展緩慢。相比易燃的液態(tài)電解液，固態(tài)電解質(zhì)安全性更高，而離子電導(dǎo)率較差，一般均需在高溫下運(yùn)行（60-80°C），電池很難在室溫下正常工作。如何提升該類電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，成為亟需解決的科學(xué)問題。 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所項(xiàng)目研究員劉美男等報(bào)道了一種基于Janus結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)（JSE），利用JSE組分中的分子間作用力來調(diào)控鋰離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑出一維（1D）離子快速傳輸通道，進(jìn)而提升鋰離子輸運(yùn)速率，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)金屬鋰電池的室溫運(yùn)行。 

　　如圖1所示，JSE中Janus基底由兩種結(jié)構(gòu)復(fù)合而成，分別為用于保護(hù)鋰負(fù)極的PVDF-HFP/PEO致密層，以及用于提高電解質(zhì)離子電導(dǎo)率的PVDF-HFP/LATP通道結(jié)構(gòu)層。將Janus基底與丁二腈（SN）基固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合，即可獲得JSE。理論計(jì)算結(jié)果表明，這些嵌入1D通道的LATP顆粒與SN間具有很強(qiáng)的分子間作用力，基于此，可調(diào)控SN電解質(zhì)中的鋰離子溶劑化環(huán)境，形成聚集離子對(duì)（AGG）結(jié)構(gòu)的離子輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。通過1D通道上的LATP對(duì)SN的吸附，進(jìn)而構(gòu)筑1D鋰離子輸運(yùn)通道。 

　　拉曼光譜測(cè)試結(jié)果證明（圖2a-b），電解質(zhì)中的確存在SN吸附層，且鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)被改變。固體核磁鋰譜（6Li MAS NMR）也進(jìn)一步揭示了吸附層出Li化學(xué)環(huán)境的改變?；谠摻Y(jié)構(gòu)的電解質(zhì)在室溫條件下展示出優(yōu)異性能（圖2c-f）：如較高的離子電導(dǎo)率（0.73 mS cm-1）、較高的鋰離子遷移數(shù)（0.72）、較寬的電化學(xué)窗口（5V）。以JSE組裝的鋰對(duì)稱電池可在600小時(shí)內(nèi)提供出色的循環(huán)穩(wěn)定性（圖2g）。 

　　基于該JSE電解質(zhì)的固態(tài)金屬鋰電池在常溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。JSE固態(tài)電池在2C的高倍率下具有高達(dá)136 mAh g-1的放電比容量（圖3）；在0.5C的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試中可實(shí)現(xiàn)160 mAh g-1的放電比容量，且?guī)靷愋士蛇_(dá)99.9%，100圈循環(huán)后容量保持率可達(dá)96.8%。此外，JSE在軟包電池中也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（0.5C下比容量約140 mAh g-1），并能經(jīng)受彎曲和切割等破壞性測(cè)試，表明其在未來使用中具有優(yōu)越的安全性。 

　　該研究提出了利用分子間作用力改變電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)以提高固態(tài)電解質(zhì)性能的新思路。另外，Janus結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有效抑制了金屬鋰枝晶的問題，該策略也可拓展到其他金屬電池體系。相關(guān)研究成果以Janus electrolyte with modified Li+ solvation for high-performance solid-state lithium batteries為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金與江西省自然科學(xué)基金等的支持。 

圖1.JSE電解質(zhì)的設(shè)計(jì)示意圖

圖2.JSE的拉曼光譜與電化學(xué)性能表征

圖3.LFP|JSE|Li電池的性能表征