东华大学王宏志，李克睿：具有原位构筑离子通道的固态纳米复合离子凝胶电解质用于提升锂金属电池性能

Energist 能源学人

【研究背景】

锂电池作为一种重要的储能器件已被广泛应用于各种便携式电子设备、智能穿戴设备、电动汽车以及大型电网储能等领域。随着人们日益提高的生活水平和工业技术的迅速发展，诸多领域对锂电池的能量密度以及使用稳定性提出了更高的要求。锂金属负极由于高理论容量（3860mAh/g）和低标准电极电势（-3.04V）被誉为下一代锂电池电极的‘圣杯’，但是目前商用的液态电解液很难匹配锂金属负极的高化学活性，由此引发的电池寿命短和安全性差等问题严重制约了锂金属电池的发展。

通过将离子液体电解液与聚合物或无机物进行复合可以得到离子凝胶电解质（Ionogel electrolyte），该电解质能够在继承离子液体电解液一系列优点的同时进一步提高其电化学表现，常被认为是能构筑高能量密度锂金属电池的有力候选电解质。尽管该类电解质普遍具有高的离子电导率和良好的界面润湿性，但由于其潜在的复合相分布不均，液相与固相离子传导性能差异明显所导致的力学性能欠佳、离子束流调控能力不理想、离子迁移数和极限电流密度较低等问题依然是制约最后锂金属电池性能进一步发展的重要因素。

【内容概述】

近日，东华大学先进功能材料课题组通过在离子液体电解液环境中原位构筑高界面活性的3D硅氧框架得到了一种固态纳米复合离子凝胶电解质（n-CIE），该电解质在具有高离子电导率（7.58×10^-4S/cm）的同时，相较于离子液体电解液更是展现出明显提升的锂离子迁移数（0.48）和极限电流密度。拉曼测试与分子动力学模拟结果表明，框架材料所富含的羟基以及不饱和位点可以一定程度上铆钉阴离子并限制离子液体大阳离子的快速传输。随着电池的进一步循环，n-CIE的纳米通道中的离子配位环境会逐渐演变成更有利于锂离子快速均匀通过的功能性离子通道，进而提升了综合离子传导表现。进一步拆解观察循环后的锂金属电极并通过XPS测试和COMSOL多物理场模拟研究了n-CIE对于锂金属电极界面化学/电化学的影响。结果显示，n-CIE促进了连续且致密界面层的形成，该界面层的化学组分主要为LiF、LixSiOy和Li₂O，其低电子电导、坚固致密特性能够诱导锂离子沉积为小且均匀的凸起，平滑电场分布。同时配合高模量、具有一定离子束流调控功能的框架材料，最终实现了稳定且无枝晶的锂剥离/沉积。基于n-CIE所构筑的Li||Li对称电池可以在0.25 mA/cm²的电流密度下稳定循环超过1000小时，极限电流密度可提升至0.7 mA/cm²。所组装的LiCoO₂（NMC811）/Li电池也实现了良好的倍率性能以及优异的循环稳定性。此外，使用该电解质构建的高载物量电池的可行性同样得到了一定验证。相关工作以“Solid-state nanocomposite ionogel electrolyte with in-situ formed ionic channels for uniform ion-flux and suppressing dendrite formation in lithium metal batteries”为题发表在著名期刊Energy Storage Materials上。博士研究生孙健其为本文第一作者, 王宏志教授，李克睿研究员为论文的共同通讯作者。

【图文摘要】

图1. n-CIE的物化特性与本征电化学性能

图2. n-CIE中离子传导与调控的机理研究

图3. 界面化学/电化学改性机制的研究

图4. 基于n-CIE对称电池的性能及与其他电解质的比较

图5. 基于n-CIE的锂金属电池的循环性能

Jianqi Sun, Caohua He, Yaogang Li, Qinghong Zhang, Chengyi Hou, Michael De Volder, Kerui Li, Hongzhi Wang, Solid-state nanocomposite ionogel electrolyte with in-situ formed ionic channels for uniform ion-flux and suppressing dendrite formation in lithium metal batteries, Energy Storage Materials, 2023, 54, 40-50.

通讯作者简介

李克睿，研究员，博士生导师，国家级青年人才计划获得者，上海市海外高层次人才，上海市稀土学会理事，纤维材料改性国家重点实验室固定人员。2018年博士毕业于东华大学，2017年于丹麦科技大学进行博士联合培养，2018-2020年在新加坡国立大学从事博士后研究，随后入职东华大学。长期从事智能纤维材料与电子织物方向的研究工作，重点关注其在能源存储及宽光谱调控领域的应用，在材料领域知名期刊Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等期刊发表论文40余篇。

王宏志，教授，博士生导师，第15届上海市人大代表，东华大学科研院副院长。教育部新世纪人才、上海市领军人才、上海市东方学者、上海市优秀学术带头人。中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会副会长，中国指挥与控制学会智能可穿戴技术专业委员会理事。主要研究方向为智能纤维、柔性传感（电子皮肤）、电致变色（智能窗、变色服装）、柔性转能与储能器件（太阳能电池、热电器件、超级电容器、锂离子电池）、致动器（人工肌肉、湿热调控）等。近五年来，发表SCI收录论文200余篇，申请中国发明专利100余项。获得宝钢优秀教师奖，上海市科技进步一等奖、中国纺织工业联合会科学技术一等奖等。成果发表在Science、Science子刊Science Advances、Nature子刊Nature Communications、Chemical Review、Advanced Materials、ACS Nano、PNAS等重要SCI期刊。所获成果受到包括《Nature》、《Science》在内的40余家国际主流学术刊物与媒体的广泛报道。

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