崔屹最新Nature Energy：有序排列陶瓷納米線顯著增強復合聚合物電解質離子電導率

【引言】

由于人們對高性能、安全和經濟的能量儲存方式的需求不斷增長，因此大量工作投入到了改進當今可充電鋰離子電池（LIB）和開發新材料。與傳統液體電解質具有易泄漏、易燃和化學穩定性差的問題相比，固體鋰離子電解質具有很大且穩定的電化學窗口，提高了安全性。此外，固體電解質提供最有望抑制鋰金屬枝晶的方法之一，以實現研究人員對高能鋰金屬電池的“夢想”。 然而，固體鋰離子電解質由于其有限的離子電導率將導致較低的容量利用率和電池性能的劣化，這仍然是該材料面臨的主要挑戰 。

【成果簡介】

在含有聚合物和鋰鹽的固體聚合物電解質中，無機納米粒子通常用作填料以改善電化學性能，結構穩定性和機械強度。然而，這種復合聚合物電解質通常具有低離子導電性。北京時間2017年4月4日，斯坦福大學崔屹教授課題組在Nature Energy上發表一篇題為“Enhancing ionic conductivity in composite polymer electrolytes with well-aligned ceramic nanowires”的文章，報道了具有有序排列的無機Li ⁺導電納米線的復合聚合物電解質在30℃下表現出6.05×10^-5 S cm^-1的離子電導率，其比先前的隨機取向的聚合物電解質高一個數量級。納米線導電性增強歸因于快速的離子傳導路徑，而在有序排列的納米線的表面上沒有交叉接合。此外，通過使用納米線也可以改善聚合物電解質的長期結構穩定性。

【圖文導讀】

圖一：可能的鋰離子傳導途徑的比較。

a-c，具有（a）納米顆粒，（b）隨機納米線和（c）排列有序的納米線的復合聚合物電解質中的鋰離子傳導途徑。 與分離的納米顆粒相比，隨機納米線可以為Li離子提供更連續的快速傳導通路。與隨機納米線相比，排列有序的納米線不含交叉點。 d，無機納米粒子（NPs）和納米線（NW）的表面區域作為鋰離子傳導的高速通道。

圖二：具有有序排列納米線的復合聚合物電解質的合成方法和形態。

a，具有取向的納米線的復合聚合物電解質的合成方法，以及用于直流阻抗光譜測量的電極結構的說明。三個具有Pt電極的石英襯底在靜電紡絲期間在旋轉的鼓收集器上以不同的取向放置。 b，叉指型的Pt電極。 c，在800℃下煅燒的LLTO納米線的TEM圖像。 d-f，取向為（d）0°，（e）45°和（f）90°的納米線的SEM圖像。 圖d中的插圖是有序排列的納米線的高倍放大的SEM圖像。

圖三：具有陶瓷納米線的復合聚合物電解質的電導率結果。

a，取向0°納米線復合聚合物電解質在各種溫度下測量的阻抗譜的實驗值和擬合值（實線）。插圖為等效電路。 b，具有各種取向的有序排列的納米線陣列的復合聚合物電解質的的阿侖尼烏斯圖，以及具有隨機分散的納米線和無填料的電解質的復合電解質的數據。c，在10mV的施加電壓下，Li /sample/ Li的構型的極化期間的電流隨時間的變化；插圖表現了極化前后的阻抗譜。d，在40℃下測量的具有有序排列的納米線的復合聚合物電解質，具有隨機納米線的復合電解質和無填料的電解質的復合聚合物電解質的阻抗虛部的代表性曲線作為log f（德拜圖）的函數和擬合曲線，垂線表示德拜峰的位置。

圖四：具有有序排列的納米線的復合聚合物電解質的模擬分析。

a，具有有序排列的納米線（取向角為0°）的復合聚合物電解質的電流密度模型。 b，復合聚合物電解質的電導率與角度，顯示了模擬的和實驗結果的數據。

【總結】

在這項研究中，具有有序排列的Li ⁺導電納米線的固體復合聚合物電解質顯示出非常高的離子電導率。與隨機分散的納米線相比，有序排列的納米線（30℃下表現出6.05×10^-5 S cm^-1）可以實現10倍的導電性的提升。納米線的表面電導率被推導為具有~1.26 ×10^-2 S cm^-1（30℃），接近液體電解質中的離子傳導率。電導率的改善是由于在納米線表面上沒有交叉的快速離子傳導路徑。此外，通過添加納米線，提高了聚合物電解質的長期導電的穩定性。具有取向納米線的復合聚合物電解質的發展為通過新型納米結構設計提高固體電解質的離子導電性提供了有前景的方法。此外，具有面內電極的固體電解質還為具有提升的存儲容量和功率密度的微LIB的發展開辟了道路。

文獻鏈接：Enhancing ionic conductivity in composite polymer electrolytes with well-aligned ceramic nanowires（Nature Energy, 2017，doi:10.1038/nenergy.2017.35）

本文由材料人新能源組 背逆時光 供稿，材料牛編輯整理。感謝崔屹教授對本文的指導和對材料人的大力支持！

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