【文章信息】

類神經元結構納米填料助力PEO基固態電解質實現寬溫域鋰金屬電池的穩定循環

第一作者：王萬凱

通訊作者：楊燕飛*，張俊平*

單位：中國科學院蘭州化物所

【研究背景】

聚環氧乙烷(PEO)具有較高的介電常數和較強的鋰鹽解離能力，被視為最有希望實現產業化應用的固態電解質。PEO基固態電解質在室溫下離子電導率較低，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率。然而，無機納米材料在PEO中非常容易團聚，不能形成連續且快速的鋰離子傳遞通道。因此，開發新型的納米填料對PEO基固態電解質的發展意義重大。在本工作中，借鑒神經元結構及其對信號高效傳輸、處理和存儲的機制，開發出了具有類似神經元結構的有機硅納米線@蒙脫石（SNFs@MMT）納米填料，構建了適用于寬溫域鋰金屬電池的PEO基復合固態電解質（PEO/SNFs@MMT）。這項工作為納米填料的設計、合成，及其在復合固態電解質中的應用提供了新的思路。

【文章簡介】

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所張俊平團隊在國際知名期刊Angewandte Chemie International Edition上發表題為《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元結構的SNFs@MMT超疏水納米填料并制備了PEO/SNFs@MMT復合固態電解質。該固態電解質具備高的離子電導率（4.9 × 10^-4 S cm^-1，30 ℃）和離子遷移數（0.63）以及優異的氧化穩定性（5.3 V）和機械性能。使用該復合固態電解質和 LiFePO₄ 或 NCM811正極組裝的全固態鋰金屬電池可在 50 ℃ 至 0 ℃ 的寬溫度范圍內表現出卓越的循環穩定性和倍率性能。

【本文要點】

圖1. 仿神經元結構的SNFs@MMT納米填料的設計及制備

神經元是神經系統最基本的結構和功能單位，主要由細胞質、軸突和樹突組成。神經元特殊的結構使得神經系統具備強大的信息傳遞和處理能力。受此啟發，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元結構的有機硅納米線@蒙脫石納米填料。該材料與神經元結構類似，可在PEO基固態電解質中快速地傳遞和接受Li⁺。