10月17日，清華大學(xué)化工系副研究員張強課題組在《美國科學(xué)院院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）上發(fā)表文章《用于無枝晶生長金屬鋰保護的陰離子固定復(fù)合電解質(zhì)》（An anion-immobilized composite electrolyte for dendrite-free lithium metal anodes），報道了研究組在柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域取得的新進展。
（A）在陰離子固定的柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中，鋰離子均勻沉積；（B）在陰離子未被固定的常規(guī)電解質(zhì)中，易生成枝晶。
近年來，隨著智能手機等電子設(shè)備的廣泛運用，和電動汽車等新型交通工具的迅猛發(fā)展，人們不僅對電池能量密度的需求不斷增長，對電池安全性的要求也越來越高。
現(xiàn)階段傳統(tǒng)電池大多采用有機液態(tài)電解質(zhì)，采用有機液態(tài)電解質(zhì)的電池在高溫下化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，可能造成電池短路。在沖擊、過充等極端條件下易燃易爆，埋下安全隱患。因此，構(gòu)筑電極、電解質(zhì)均為固態(tài)材料的電池，是實現(xiàn)安全電池的終極目標(biāo)。
金屬鋰電極具有很高的理論容量，然而在充放電過程中易產(chǎn)生不均勻沉積，生成枝晶，給電池帶來容量損失。采用金屬鋰電極與固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池，是下一代安全、高能電池的極佳選擇。
為制造安全、高能的金屬鋰電池，化工系張強研究團隊提出利用無機陶瓷材料與有機聚合物材料結(jié)合，構(gòu)筑柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。利用陰離子固定的無機陶瓷材料（鋁摻雜Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12, LLZTO）與有機聚合物材料（PEO-LiTFSI）構(gòu)筑柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)（PEO-LiTFSI-LLZTO, PLL）膜，抑制金屬鋰負(fù)極枝晶生長。復(fù)合電解質(zhì)中的陰離子（TFSI-）被聚合物基體和陶瓷填料束縛，形成了均勻分布的空間電荷層，進而引導(dǎo)鋰離子均勻分布，實現(xiàn)金屬鋰的無枝晶沉積。鋰鹽中陰離子與鋰離子的解離有助于降低聚合物結(jié)晶度，構(gòu)建了快速、穩(wěn)定的鋰離子傳輸通道。無機快離子導(dǎo)體的加入將拓寬聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)窗口，表現(xiàn)出很好的電解質(zhì)-電極界面穩(wěn)定性與電化學(xué)循環(huán)性能。該復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜在極高溫度下提供屏障，阻隔正負(fù)極短路，提升電池循環(huán)效率與安全性。
鋰離子在陰離子固定的柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中均勻沉積，構(gòu)筑高安全固態(tài)金屬鋰電池。
該項研究工作的通訊作者是清華化工系副研究員張強，并列第一作者為張強課題組的博士生趙辰孜、碩士生張學(xué)強、在站博士后程新兵，并列第二作者為清華大學(xué)博士生張睿、北京理工大學(xué)碩士生許睿、清華大學(xué)本科生陳鵬宇、清華大學(xué)博士生彭翃杰和北京理工大學(xué)交叉學(xué)院教師黃佳琦。該工作在北京市科委、科技部、自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)自主科研等基金的資助下完成。
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