【引言】

鋰電池具有高的鋰金能量密度以及便攜性，已是屬電運用最廣泛的商業(yè)儲能體系。雖然傳統(tǒng)的池復(fù)材料液態(tài)鋰離子電池具備良好的離子導(dǎo)電率和浸潤性，但同時也存在著熱穩(wěn)定性差、合固易燃、態(tài)電易漏液等安全問題。解質(zhì)進展當前石墨為負極的研究鋰離子電池體系經(jīng)過多年量產(chǎn)優(yōu)化，能量密度已經(jīng)很難超過300?Wh kg^-1，鋰金難以滿足市場對高續(xù)航里程的屬電要求。高理論能量密度的池復(fù)材料鋰金屬負極電池，如Li-S及Li-O₂體系等，合固重回視線。態(tài)電?然而，解質(zhì)進展傳統(tǒng)的研究有機系液態(tài)電解液容易在鋰金屬表面的分解，導(dǎo)致電池壽命的鋰金縮短;同時液態(tài)電解液無法有效抑制鋰枝晶的生長，進而帶來電池的短路，熱失控甚至引起引起火災(zāi)及爆炸。采用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)是解決上述問題的有效方法。目前主流的固態(tài)電解質(zhì)主要包括聚合物固態(tài)電解質(zhì)和無機陶瓷固態(tài)電解質(zhì)兩大類。聚合物固態(tài)電解質(zhì)，如PEO、PAN、PVDF、PMMA等，通常具有良好的柔性、穩(wěn)定的界面，易操作性，但其低溫下的鋰離子導(dǎo)電率較低。無機陶瓷固態(tài)電解質(zhì)，如鈣鈦礦型、石榴石型、NASICON、硫化物等，通常具有較高的離子導(dǎo)電率和良好的阻燃性能，但易與電極發(fā)生反應(yīng)，界面穩(wěn)定性差。由上可知，單一組分的固態(tài)電解質(zhì)難以滿足鋰電池的實際應(yīng)用需求。因此，設(shè)計和制備復(fù)合型的固態(tài)電解質(zhì)，將聚合物電解質(zhì)、無機電解質(zhì)甚至液態(tài)電解液的有機結(jié)合，實現(xiàn)各個組分的功能雜化，成為提高固態(tài)電解質(zhì)性能的有效途徑。

【成果簡介】

近日，浙江大學(xué)吳浩斌研究員（通訊作者）和上海師范大學(xué)劉肖燕博士合作在Chemistry-A?European?Journal上發(fā)表了題為“Recent Progress of Hybrid Solid-State Electrolytes for Lithium Batteries”的綜述文章。本文總結(jié)了復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu)，分別對層狀聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)、混合型聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)、無機-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)和框架材料-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計原則、離子導(dǎo)電機理、電化學(xué)性能及構(gòu)效關(guān)系進行了總結(jié)和討論（圖1）。文末對幾類復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)面臨的問題和未來應(yīng)用前景進行了分析和展望。

圖1.?復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

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（a）復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計原則；

（b）幾類復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖2. 層狀聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

（a-c）鋰硫電池層狀GPE/LAGP/GPE復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖、充點-靜置-放電曲線和循環(huán)壽命圖；

（d）層狀聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)三明治結(jié)構(gòu)示意圖及聚(乙二醇)甲醚丙烯酸酯分子結(jié)構(gòu)；

（e）固態(tài)鋰金屬電池聚合物電解質(zhì)（e₁和e₂）、無機陶瓷電解質(zhì)（e₃）和聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)（e₄）。

由于無機陶瓷固態(tài)電解質(zhì)與電極的界面接觸性能較差，且容易發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致界面阻抗大，穩(wěn)定性差。雖然通過添加少量的液態(tài)電極液或者界面修飾可以降低阻抗，但是界面副反應(yīng)仍難以消除。采用柔性的聚合物固態(tài)電解質(zhì)與之疊加，制備“三明治”型層狀復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)可以有效增強電極與電解質(zhì)間的界面接觸，同時消除副反應(yīng)，穩(wěn)定界面。

圖3. 混合型聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

（a）柔性固態(tài)LFP/PEO:LLZTO/Li電池示意圖；

（b）PEO, PEO:LLZTO, and LLZTO固態(tài)電解質(zhì)的阿侖尼烏斯曲線；

（c）鋰金屬在具有錨定陰離子的固態(tài)電解質(zhì)PPL和陰離子可移動的傳統(tǒng)液態(tài)電解液中的沉積過程示意圖；

（d）鋰離子在不同組分的LLZO-PEO(LiTFSI)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中的遷移路徑示意圖；

（e-f）PVDF/LLZTO-CPEs復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)、離子導(dǎo)電率和組裝電池的循環(huán)性能圖。

將高離子導(dǎo)電性的無機固態(tài)電解質(zhì)顆粒添加到聚合物中，制備成混合型的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，既可以降低聚合物的結(jié)晶程度又可以實現(xiàn)鋰離子在無機離子中的遷移傳導(dǎo)，從而大大提高復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率。

圖4.?具有特定結(jié)構(gòu)的混合型聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

（a-b）有序排列的聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)示意圖及其阿侖尼烏斯曲線；

（c）PEO-網(wǎng)狀石榴石納米纖維復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)示意圖；

（d-f）聚合物-納米顆粒復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)和聚合物-3D框架復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電機理示意圖。

具有特定納米結(jié)構(gòu)的（一維或三維等）無機固態(tài)電解質(zhì)與聚合物復(fù)合，可以提供連續(xù)的鋰離子傳輸通道，減少顆粒間的連接，為進一步提高該類復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率提供了可能。

圖5. 無機-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

（a）SiO₂-RTIL-LiTFSI/PC復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)；

（b）PIL/TEOS/Li-IL復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的化學(xué)機構(gòu)、三相圖及外觀圖；

（c）空心SiO₂納米球-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)示意圖；

（d-e）BAIE-1.0 中無機基體與液態(tài)組分間的相互作用和鋰離子遷移路徑示意圖；

（f）電解質(zhì)BAIEs 和?ILE的阿侖尼烏斯曲線。

無機納米顆粒的添加可以實現(xiàn)液態(tài)電解液向固態(tài)或準固態(tài)的轉(zhuǎn)化，使其在保證較高離子導(dǎo)電率的同時具備固態(tài)電解質(zhì)優(yōu)異的屬性。特別是具有豐富孔道結(jié)構(gòu)的無機納米基體，可以通過物理吸附和化學(xué)鍵合實現(xiàn)液態(tài)電解液的固態(tài)化，形成良好的鋰離子傳輸通道。

圖6. MOF-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

（a）Mg₂(dobdc) MOF結(jié)構(gòu)示意圖；

（b）MOF-IL復(fù)合固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)及潤濕界面示意圖；

（c）陰離子型框架材料的制備及MIT-20和MIT-20d的晶體結(jié)構(gòu)；

（d）MIT-20-LiCl、MIT-20-LiBr、MIT-20-Na和MIT-20-Mg的離子導(dǎo)電率；

（e-f）鍵合ClO₄^–離子的MOF框架中的仿生離子通道和響應(yīng)里對稱電池電化學(xué)性能圖。

圖7.?COF-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

（a）多孔CB[6]基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)及其鋰離子傳輸路徑示意圖；

（b）ICOF-1和ICOF-2結(jié)構(gòu)示意圖；

（c-d）CD-COF-Li電解質(zhì)中鋰離子傳輸示意圖和相應(yīng)的鋰對稱電池性能圖；

（e-f）陽離子型Li-CON-TFSI COF框架中鋰離子傳導(dǎo)及離子解離示意圖；

（g）未修飾和長鏈烷氧基修飾的Li⁺@TPB-DMTP-COF結(jié)構(gòu)示意圖。

MOF、COF等框架材料具有豐富的孔道和可調(diào)節(jié)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，是制備復(fù)合型固態(tài)電解質(zhì)的良好基體。通過官能團的調(diào)節(jié)，使電中性的框架材料顯示出正電性或者負電性，直接或間接的對鋰離子進行錨定，從而實現(xiàn)鋰離子傳輸通道的構(gòu)筑。

【小結(jié)及展望】

近年來，固態(tài)電解質(zhì)因具有安全性高和防止枝晶生長等功能受到了研究者的廣泛關(guān)注和研究。復(fù)合型固態(tài)電解質(zhì)可以綜合多種固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點，成為提高固態(tài)電池的性能的新途徑。通過精確控制復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對其機械性能、離子導(dǎo)電率、界面穩(wěn)定性等物理化學(xué)性能進行有效的調(diào)控。

盡管固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，但是其基本原理的探究和實際應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，深入研究復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中鋰離子的傳導(dǎo)機理、各組分間的協(xié)同作用及界面性質(zhì)將對進一步提高復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的性能提供指導(dǎo)性作用。

文章鏈接

Xiaoyan Liu, Xinru Li, Hexing Li, Hao Bin Wu*. Recent Progress of Hybrid Solid-State Electrolytes for Lithium Batteries. Chemistry-A European Journal, 2018, 24(69),?18293-18306.

本文由作者團隊供稿。

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