鋰離子電池（LIB）在便攜式電子設(shè)備，電動(dòng)車等領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用,，但低能量密度和易漏,、易燃等安全問題使得LIB難以滿足當(dāng)代需求。固態(tài)電池（SSB）,，使用更安全的固態(tài)電解質(zhì)（SSE）取代液態(tài)有機(jī)電解質(zhì),，避免了電解液的泄漏，規(guī)避了電解液的易燃問題,，并且固態(tài)電池可以物理阻擋鋰枝晶或者經(jīng)過(guò)修飾之后使得鋰沉積更加均勻,，因此可以使用鋰金屬作為負(fù)極，被認(rèn)為是未來(lái)最有希望的便攜儲(chǔ)能體系之一,。

固體電解質(zhì)一般包括無(wú)機(jī)氧化物陶瓷類,，硫化物類，有機(jī)聚合物類,，氫化物類以及薄膜固態(tài)電解質(zhì)LPON,。其中無(wú)機(jī)氧化物陶瓷類又主要包括石榴石型LLZO，NASION型,，還有鈣鈦礦類固態(tài)電解質(zhì),。無(wú)機(jī)氧化物陶瓷固態(tài)電解質(zhì)不僅電導(dǎo)率高，可達(dá)到10^-3S/cm,，而且電化學(xué)窗口寬,，但是由于陶瓷SSE的剛性和脆性，界面問題是阻礙SSB的實(shí)際應(yīng)用的一大因素,；SSB中固體-固體界面（固態(tài)電解質(zhì)顆粒間及固態(tài)電解質(zhì)與電解材料顆粒間）的鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)與傳統(tǒng)LIB的液-固界面的相比要差得多,，從而限制了SSB的活性物質(zhì)負(fù)載量和倍率性能。對(duì)于無(wú)機(jī)陶瓷的界面問題,，以LLZO固態(tài)電解質(zhì)為例,，國(guó)內(nèi)外很多課題組對(duì)其界面做了諸多的努力，LLZO由于其表面的碳酸鋰,，氫氧化鋰等表面產(chǎn)物,，使得其與金屬鋰接觸不潤(rùn)濕，如就將非晶硅,、Ge,、Sn、Al2O3等鍍?cè)贚LZO表面來(lái)改善與金屬鋰的接觸。但是在與正極接觸的界面很少有改善的工作,，有引入凝膠聚合物電解質(zhì)的,，也有將LLZO和正極直接燒結(jié)在一起的，但是這樣還是引入了易燃的電解液或者循環(huán)性能不穩(wěn)定,。并且致密的LLZO的燒結(jié)需要高溫,，過(guò)程繁瑣且耗能，因此開發(fā)一種可以同時(shí)改善LLZO晶界和正,、負(fù)極界面的方法具有重要的科研,、產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

圖1 改善固態(tài)鋰電池界面鋰離子傳輸示意圖

近日,，北京大學(xué)深研院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組針對(duì)固態(tài)電池的固體-固體界面問題設(shè)計(jì)了一種新型的電化學(xué)穩(wěn)定的MOF離子導(dǎo)體,，將其和LLZO結(jié)合在一起，有效地改善了界面的Li離子遷移,。這種離子導(dǎo)體（Li-IL@ MOF,，命名為L(zhǎng)IM）是多孔MOF和含鋰離子液體（Li-IL）的混合物。作為SSB的離子導(dǎo)電劑,，Li-IL可以通過(guò)MOF主體的開放孔道與LLZO顆粒表面直接接觸,，這能使不穩(wěn)定的固態(tài)接觸轉(zhuǎn)換成納米浸潤(rùn)的界面，促進(jìn)鋰離子傳輸,。制備方法是簡(jiǎn)單地將LLZO粉末與20 %的LIM混合,，然后在手套箱里用直徑12mm的模具施加8T的壓力壓成片，混合的SSE在室溫下表現(xiàn)出高的離子電導(dǎo)率（1×10^-4s/cm）,，并且具有寬的電化學(xué)窗口5.2V,，且與Li金屬負(fù)極具有良好的匹配性。當(dāng)離子導(dǎo)體和LiCoO2（LCO）和LiFePO4（LFP）混合組裝成SSBs后,，可以在電池內(nèi)部建立有效的Li+傳輸網(wǎng)絡(luò),，從而在非常高的的活性物質(zhì)負(fù)載量（15.9和12.4 mg/cm²）下，在室溫25℃,，可以實(shí)現(xiàn)低倍率0.1C的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定,。該工作近日發(fā)表在國(guó)際材料與能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊Nano Energy（2018 49, 580p,，影響因子為12.34）上,。

圖2 分別以鈷酸鋰和磷酸鐵鋰為正極的全固態(tài)電池性能

這種通過(guò)將含鋰離子的離子液體裝載到MOF主體中來(lái)設(shè)計(jì)新穎的離子導(dǎo)體，并將其用于基于LLZO的固態(tài)電池中以降低界面電阻方法對(duì)于改善固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間的阻抗具有重要的借鑒意義,，并且具有納米潤(rùn)濕界面的離子導(dǎo)電劑為固態(tài)電池的制備也提供了新的思路,。

該工作在潘鋒教授指導(dǎo)下，由北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院的王子奇博士后和王子劍博士生作為共同一作,，在與團(tuán)隊(duì)緊密合作完成的,。此工作的順利開展得到了基于材料基因組的全固態(tài)電池國(guó)家重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金的支持,。

文章鏈接：

https://www./science/article/pii/S2211285518303057