Nat. Mater:軟質共晶固體電解質|鋰離子電池

一、【導讀】

? ?近年來，替代揮發性液體電解質以提高鋰金屬或鋰離子電池的安全性引起了人們對固體電解質開發的興趣。其中包括聚合物、具有非揮發性液體的聚合物凝膠和各種無機材料，例如氧化物和硫化物基鋰或鈉離子導電陶瓷等。盡管這些鋰材料具有良好的離子電導率和鋰離子遷移數。不幸的是，它們仍存在與電解質和電極之間的不良界面接觸相關的問題。研究發現一類新的固體電解質：鋰鹽和鈉鹽與弱連接分子有機化合物的鹽-有機共晶體（也稱為溶劑合物）。這類固體電解質的“軟”共晶中含有離子遷移通道。與陶瓷電解質的剛性陰離子晶格不同，“軟”共晶中的通道由有機分子的弱路易斯堿性供體基團組成。因此，實現高溫穩定，高離子電導率以及電化學穩定的理想軟固體共晶電解質目前依然是一個困難的挑戰。

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二、【成果掠影】

? ?近日，美國天普大學Michael J. Zdilla, Stephanie L. Wunder以及印度科學理工學院Arun Venkatnathan教授等人成功合成并表征了一種軟固體電解質(Adpn)₂LiPF₆（Adpn，己二腈）。該電解質具有較高的熱穩定性和電化學穩定性以及良好的離子導電性，克服了傳統有機和陶瓷材料的局限性。相關的研究成果以“A soft co-crystalline solid electrolyte for lithium-ion batteries”為題發表在Nature Materials上。

三、【核心創新點】

? ?1. 作者報告了一種自開發的軟固體電解質(Adpn)2LiPF6（Adpn，己二腈）。(Adpn)2LiPF6表面具有液態Adpn的納米層，能將顆粒連接起來，實現了簡單的離子傳導，而不需要高壓/高溫處理。由于“硬”（電荷密集）Li+離子和Adpn的“軟”（可電子極化）-C≡N基團之間的弱相互作用，因此獲得了相當高的離子電導率(~10-4 S cm-1)和鋰離子轉移數(0.54)。

? ?2.引人注目的是，這種共晶晶體建立了一種特殊的晶體設計概念，通過在Adpn溶劑基質中分離離子來增加LiPF6的熱穩定性，并展示了通過低阻抗晶界實現離子傳導的獨特機制，這明顯區別于陶瓷或凝膠電解質。

四、【數據概覽】

圖1 軟固體共晶(Adpn)₂LiPF₆電解質的晶體結構。?2023 Springer Nature

圖2晶體晶界處游離溶劑分子的熱、結構和光譜證據。?2023 Springer Nature

圖3 (Adpn)₂LiPF₆的真空模型V8g和溶劑化晶粒模型V_2g,sol的模擬。?2023 Springer Nature

圖4 (Adpn)₂LiPF₆的電化學數據。?2023 Springer Nature

圖5軌跡圖和MSD與時間的關系圖。?2023 Springer Nature

圖6塊狀共晶中的活化能壘和離子傳導機制。?2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

? ?綜上所述，作者成功開發出一種全新的軟固體電解質(Adpn)₂LiPF₆。與無機導體相比，(Adpn)₂LiPF₆的軟固體晶體具有溶質介導的Li⁺離子遷移。作者也證明了這是共晶體上的流體表面層，可能是共晶體之間的過飽和LiPF₆/Adpn溶液，促進了晶界處的低阻離子傳導。同時，作者也指出未來的工作探索將注重缺陷策略與最佳溶劑和陰離子結合，增加空位或間隙位點的數量（例如，通過等價或異價摻雜，或通過鏈末端引入缺陷），以提高這些電解質中的離子電導率。這項研究的出現有望增強鋰金屬或鋰離子電池的安全性，也為更多相關領域的研究提供新的方向。

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原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01508-1

本文由K . L撰稿。