【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】全固態(tài)鋰金屬電池因其高安全性和高能量密度，被認為是下一代儲能設備的有力競爭者。然而，鋰枝晶的生長及電解質(zhì)/電極界面機械相容性差等問題嚴重制約了固態(tài)電池的長期循環(huán)穩(wěn)定性。作為固態(tài)電池的核心部件，固態(tài)電解質(zhì)材料的剛度和阻尼在力學性能上呈現(xiàn)出此消彼長的制約關系：以無機陶瓷為代表的剛性電解質(zhì)雖具備高楊氏模量，但其阻尼(粘彈性)不足，導致電極/電解質(zhì)界面機械相容性差；而聚合物基電解質(zhì)雖表現(xiàn)出良好的界面相容性，卻因模量過低難以有效抑制鋰枝晶的生長。這一剛度-阻尼的倒置關系成為制約固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展的關鍵科學問題。
近日，復旦大學材料科學系趙婕課題組和化學系李偉課題組在Angewandte Chemie期刊上合作發(fā)表了題為“Multiscale Engineered Bionic Solid-State Electrolytes Breaking the Stiffness-Damping Trade-Off”的研究論文。研究團隊受牙釉質(zhì)超結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設計并開發(fā)出一種由非晶TiO2納米管陣列與聚合物電解質(zhì)PEO交織而成的仿生復合固態(tài)電解質(zhì)，實現(xiàn)了高剛度(楊氏模量達15 GPa，硬度為0.13 GPa)和優(yōu)異的阻尼性能(tanδ=0.08)，成功解決了傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)中剛度與阻尼難以兼顧的問題。一方面，這種電解質(zhì)擁有媲美無機固態(tài)電解質(zhì)的剛度，可有效抑制鋰枝晶的生長；另一方面，其阻尼性能接近于聚合物固態(tài)電解質(zhì)，確保了與電極的緊密接觸。
此外，該仿生復合固態(tài)電解質(zhì)在室溫下展現(xiàn)出優(yōu)異的離子電導率(1.34×10?? S·cm?¹)和較高的鋰離子遷移數(shù)(0.62)。研究表明，非晶結(jié)構(gòu)相比晶體結(jié)構(gòu)更有利于聚合物鏈段的擴散運動，從而促進鋰離子的遷移。同時，非晶陶瓷中的高濃度氧空位(Ovs)作為路易斯酸活性位點，有效促進了鋰鹽的解離，高度有序的無機-有機界面降低了鋰離子擴散路徑的迂曲度，協(xié)同提升了鋰離子傳輸效率。
電化學測試表明，基于該電解質(zhì)組裝的鋰對稱電池在60°C下實現(xiàn)超過2000小時的穩(wěn)定運行，在30°C下循環(huán)壽命突破500小時。與LiFePO4和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正極匹配的全電池體均展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，表明了其在工業(yè)應用中的巨大潛力。值得一提的是，該仿生策略同樣適用于鈉離子固態(tài)電解質(zhì)，展現(xiàn)出普適性優(yōu)勢。
復旦大學材料科學系博士后侯俊宇、碩士生孫武和博士生袁群瑤為該論文的共同第一作者；復旦大學材料科學系的趙婕青年研究員和復旦大學化學系的李偉教授為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”專項、國家自然科學基金面上項目、上海市政府間國際科技合作項目等經(jīng)費的支持。
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