Nat. Mater:软质共晶固体电解质|锂离子电池

一、【导读】

近年来，替代挥发性液体电解质以提高锂金属或锂离子电池的安全性引起了人们对固体电解质开发的兴趣。其中包括聚合物、具有非挥发性液体的聚合物凝胶和各种无机材料，例如氧化物和硫化物基锂或钠离子导电陶瓷等。尽管这些锂材料具有良好的离子电导率和锂离子迁移数。不幸的是，它们仍存在与电解质和电极之间的不良界面接触相关的问题。研究发现一类新的固体电解质：锂盐和钠盐与弱连接分子有机化合物的盐-有机共晶体（也称为溶剂合物）。这类固体电解质的“软”共晶中含有离子迁移通道。与陶瓷电解质的刚性阴离子晶格不同，“软”共晶中的通道由有机分子的弱路易斯碱性供体基团组成。因此，实现高温稳定，高离子电导率以及电化学稳定的理想软固体共晶电解质目前依然是一个困难的挑战。

二、【成果掠影】

近日，美国天普大学Michael J. Zdilla, Stephanie L. Wunder以及印度科学理工学院Arun Venkatnathan教授等人成功合成并表征了一种软固体电解质(Adpn)₂LiPF₆（Adpn，己二腈）。该电解质具有较高的热稳定性和电化学稳定性以及良好的离子导电性，克服了传统有机和陶瓷材料的局限性。相关的研究成果以“A soft co-crystalline solid electrolyte for lithium-ion batteries”为题发表在Nature Materials上。

三、【核心创新点】

1. 作者报告了一种自开发的软固体电解质(Adpn)2LiPF6（Adpn，己二腈）。(Adpn)2LiPF6表面具有液态Adpn的纳米层，能将颗粒连接起来，实现了简单的离子传导，而不需要高压/高温处理。由于“硬”（电荷密集）Li+离子和Adpn的“软”（可电子极化）-C≡N基团之间的弱相互作用，因此获得了相当高的离子电导率(~10-4 S cm-1)和锂离子转移数(0.54)。

2.引人注目的是，这种共晶晶体建立了一种特殊的晶体设计概念，通过在Adpn溶剂基质中分离离子来增加LiPF6的热稳定性，并展示了通过低阻抗晶界实现离子传导的独特机制，这明显区别于陶瓷或凝胶电解质。

四、【数据概览】

图1软固体共晶(Adpn)₂LiPF₆电解质的晶体结构。©2023 Springer Nature

图2晶体晶界处游离溶剂分子的热、结构和光谱证据。©2023 Springer Nature

图3(Adpn)₂LiPF₆的真空模型V8g和溶剂化晶粒模型V_2g,sol的模拟。©2023 Springer Nature

图4(Adpn)₂LiPF₆的电化学数据。©2023 Springer Nature

图5轨迹图和MSD与时间的关系图。©2023 Springer Nature

图6块状共晶中的活化能垒和离子传导机制。©2023 Springer Nature

五、【成果启示】

综上所述，作者成功开发出一种全新的软固体电解质(Adpn)₂LiPF₆。与无机导体相比，(Adpn)₂LiPF₆的软固体晶体具有溶质介导的Li⁺离子迁移。作者也证明了这是共晶体上的流体表面层，可能是共晶体之间的过饱和LiPF₆/Adpn溶液，促进了晶界处的低阻离子传导。同时，作者也指出未来的工作探索将注重缺陷策略与最佳溶剂和阴离子结合，增加空位或间隙位点的数量（例如，通过等价或异价掺杂，或通过链末端引入缺陷），以提高这些电解质中的离子电导率。这项研究的出现有望增强锂金属或锂离子电池的安全性，也为更多相关领域的研究提供新的方向。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01508-1

本文由K . L撰稿。