【文章信息】

類神經(jīng)元結(jié)構(gòu)納米填料助力PEO基固態(tài)電解質(zhì)實現(xiàn)寬溫域鋰金屬電池的穩(wěn)定循環(huán)

第一作者：王萬凱

通訊作者：楊燕飛*，張俊平*

單位：中國科學(xué)院蘭州化物所

【研究背景】

聚環(huán)氧乙烷(PEO)具有較高的介電常數(shù)和較強的鋰鹽解離能力，被視為最有希望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的固態(tài)電解質(zhì)。PEO基固態(tài)電解質(zhì)在室溫下離子電導(dǎo)率較低，目前，研究人員普遍采用添加無機納米材料的手段提高其室溫離子電導(dǎo)率。然而，無機納米材料在PEO中非常容易團聚，不能形成連續(xù)且快速的鋰離子傳遞通道。因此，開發(fā)新型的納米填料對PEO基固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展意義重大。在本工作中，借鑒神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及其對信號高效傳輸、處理和存儲的機制，開發(fā)出了具有類似神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的有機硅納米線@蒙脫石（SNFs@MMT）納米填料，構(gòu)建了適用于寬溫域鋰金屬電池的PEO基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)（PEO/SNFs@MMT）。這項工作為納米填料的設(shè)計、合成，及其在復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中的應(yīng)用提供了新的思路。

【文章簡介】

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所張俊平團隊在國際知名期刊Angewandte Chemie International Edition上發(fā)表題為《Neuron-Like Silicone Nanofilaments@Montmorillonite Nanofillers of PEO-Based Solid-State Electrolytes for Lithium Metal Batteries with Wide Operation Temperature》的研究論文。

該論文通過將有機硅納米線接枝在蒙脫石納米片上合成了一種類似神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的SNFs@MMT超疏水納米填料并制備了PEO/SNFs@MMT復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。該固態(tài)電解質(zhì)具備高的離子電導(dǎo)率（4.9 × 10^-4 S cm^-1，30 ℃）和離子遷移數(shù)（0.63）以及優(yōu)異的氧化穩(wěn)定性（5.3 V）和機械性能。使用該復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)和 LiFePO₄ 或 NCM811正極組裝的全固態(tài)鋰金屬電池可在 50 ℃ 至 0 ℃ 的寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

【本文要點】

圖1. 仿神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的SNFs@MMT納米填料的設(shè)計及制備

神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位，主要由細(xì)胞質(zhì)、軸突和樹突組成。神經(jīng)元特殊的結(jié)構(gòu)使得神經(jīng)系統(tǒng)具備強大的信息傳遞和處理能力。受此啟發(fā)，通過甲基三氯硅烷在甲苯中的水解縮合作用，將有機硅納米線接枝到蒙脫石納米片上制備了仿神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的有機硅納米線@蒙脫石納米填料。該材料與神經(jīng)元結(jié)構(gòu)類似，可在PEO基固態(tài)電解質(zhì)中快速地傳遞和接受Li⁺。