【研究背景】
锂金属电池由于其高的理论比容量被视为下一代储能器件。然而，易燃有机液体电解液的使用导致的安全问题限制了锂金属电池的实际应用。采用固态电解质替代有机液体电解液有望解决这一关键问题。聚环氧乙烷(PEO)基固体电解质因其具有良好的延展性、可加工性和与电极优异的相容性等特点被视为传统有机液态电解液的最佳替代者。PEO基固态电解质在室温下离子电导率较低，目前，研究人员普遍采用添加无机纳米材料的手段提高其室温离子电导率。然而，但由于范德华力的存在，无机纳米填料极易发生团聚现象，不能形成长程连续的锂离子传输通道。因此，开发新型的纳米填料对PEO基固态电解质的发展意义重大。
【工作介绍】
近日，中国科学院兰州化学物理研究所资源化学与能源材料研究中心张俊平团队，受到神经元结构及其对信号的高效传输、处理和存储机制的启发，开发出了具有类神经元结构的有机硅纳米线@蒙脱石（SNFs@MMT）超疏水纳米填料，构建了适用于宽温域锂金属电池的PEO基固态电解质（PEO/SNFs@MMT）。相关研究成果近期以“Neuron-Like Silicone Nanofilaments@montmorillonite Nanofillers of PEO-Based Solid-State Electrolytes for Lithium Metal Batteries with Wide Operation Temperature”为题，发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。文章第一作者是王万凯博士，杨燕飞助理研究员和张俊平研究员为论文的共同通讯作者。
【内容表述】
1. 仿神经元结构的SNFs@MMT纳米填料的设计及制备
图1 仿神经元结构的SNFs@MMT纳米填料的设计及制备
神经元是神经系统最基本的结构和功能单位，主要由细胞质、轴突和树突组成。神经元特殊的结构使得神经系统具备强大的信息传递和处理能力。受此启发，研究人员通过甲基三氯硅烷在甲苯中的水解缩合反应，将有机硅纳米线接枝到蒙脱石纳米片上制备了类神经元结构的SNFs@MMT纳米填料。该材料可在PEO基固态电解质中的不同方向上形成大量长程连续的锂离子传输通道。
2. SNFs@MMT对PEO/SNFs@MMT固态电解质性能的影响
图2 PEO/SNFs@MMT固态电解质的性能
SNFs@MMT在PEO/SNFs@MMT固态电解质中的均匀分布，有效增强了PEO/SNFs@MMT固态电解质的基本性能。使PEO/SNFs@MMT120固态电解质展示了高的离子电导率（4.9 × 10-4 S cm-1，30 ℃），锂离子转移数（0.63）以及优异的氧化稳定性（5.3 V）和机械性能。
3. 全固态电池性能
采用PEO/SNFs@MMT固态电解质和 LiFePO4正极组装的全固态锂金属电池表现出优异的循环稳定性和倍率性能。该电池可在50 ℃-0 ℃的宽温域条件下正常运行，另外，该固态电解质对NCM811电极也表现出良好的适配性。
图3 全固态电池性能
4. PEO/SNFs@MMT固态电解质中锂离子的传输机制
结合分子动力学和DFT理论计算，揭示了锂离子在PEO/SNFs@MMT复合固态电解质中的传输机制。SNFs@MMT可在不同方向上形成大量的类突触连接，为快速且均匀的锂离子传递提供了大量通道；同时，SNFs@MMT与锂离子间的相互作用，有效增加了SNFs@MMT和PEO界面处的锂离子浓度，从而实现了快速且均匀的锂离子传输。
图4 PEO/SNFs@MMT固态电解质中锂离子的传输机制
5. 规模化制备及应用
基于上述研究结果，采用传统的浆料涂覆工艺，实现了PEO/SNFs@MMT 复合固态电解质的规模化制备。以其组装的软包电池可在反复弯曲、折叠、切割，甚至在空气中冲压后仍能保持正常工作。
图5 规模化制备及应用
【结论】
该工作报道了仿神经元结构的有机硅纳米线@蒙脱石超疏水纳米填料的设计与制备，及其在PEO基复合固态电解质中的应用。与已报道的填料相比，类神经元结构纳米填料有以下优点：(i)可在PEO复合固态电解质中的不同方向上形成大量长程连续的离子通道，实现了快速且均匀的锂离子传输；(ii)更易与锂盐和聚合物发生 Lewis 酸-碱相互作用，促进锂盐解离，增加自由锂离子数量；(iii)错综复杂的分支结构能最大限度地提高SNFs@MMT的补强效果。
采用PEO/SNFs@MMT固态电解质和 LiFePO4或高电压NCM811正极材料组装的全固态锂金属电池均表现出优异的循环稳定性和倍率性能，且电池可在宽温域条件下正常运行。另外，以其组装的软包电池在严重损坏后仍能保持正常工作。这项工作为无机纳米填料的设计、合成，及其在复合固态电解质中的应用提供了新启发。
Wankai Wang, Yanfei Yang*, Jie Yang, Junping Zhang*, Neuron-Like Silicone Nanofilaments@Montmorillonite Nanofillers of PEO-Based Solid-State Electrolytes for Lithium Metal Batteries with Wide Operation Temperature, Angewandte Chemie International Edition, DOI:10.1002/anie.202400091
通讯作者简介
张俊平 研究员 山东招远人，理学博士，研究员，博导，资源能源中心主任，民盟甘肃省委委员，政协甘肃省第十三届委员会委员。2003年毕业于淮北煤炭师范学院化学系获理学学士学位；2008年毕业于中国科学院兰州化学物理研究所获理学博士学位；同年留所工作；2009年8月至2012年7月，在瑞士苏黎世大学物理化学系进行博士后研究；2012年8月获中国科学院人才计划（A类）支持，在中国科学院兰州化学物理研究所工作。
主要从事有机硅和硅酸盐黏土的特殊润湿性涂层的应用基础研究、技术开发，包括超疏液涂层、锂电池隔膜、固态电解质、太阳能界面蒸发材料等。在Sci Adv、Nature Commun、Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater等刊物上发表研究论文190余篇，其中通讯作者或第一作者150余篇（SCI收录140余篇），被引12000余次，单篇研究论文最高被引700余次，H因子64，2021-2023年Elsevier中国高被引学者（材料科学与工程）；著有《凹凸棒石新型功能材料及应用》等多部专著；申请中国发明专利50余件，授权30余件。曾获国家技术发明二等奖、甘肃省自然科学一等奖、陇原人才（A类）、甘肃省领军人才（第一层次）等奖励。承担了中国科学院“特聘人才计划”（A类）、国家自然科学基金面上项目、科工局火炸药专项、装发“慧眼行动”、等重大任务，建立了2个所企联合实验室。
杨燕飞 助理研究员 甘肃静宁人，理学博士，助理研究员，中共党员。2012年于辽宁科技学院获理学学士学位，2016年于兰州理工大学获工学硕士学位，2019年于中国科学院兰州化学物理研究所获理学博士学位，同年留所工作。主要从事硅酸盐黏土矿物、有机硅的锂电池隔膜和固态电解质的应用基础研究。目前，以通讯作者或第一作者在 Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater、Energy Storage Mater、Small、J Mater Chem A 等期刊发表论文 10 余篇，其中封面文章 3 篇；申请国家发明专利 15 件，授权 9 件。主持了国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金、兰州市人才专项、中国科学院兰州化学物理研究所青年合作基金等项目。
第一作者介绍
王万凯博士研究生 现就读于中国科学院兰州化学物理研究所。2017年于甘肃农业大学获工学学士学位，2020年于兰州理工大学获工学硕士学位，2020年至今于中国科学院兰州化学物理研究所攻读材料学博士学位。主要从事硅酸盐黏土矿物和固态电解质的应用基础研究。目前，在 Angew Chem Int Ed、Small、J Mater Chem A、J. Colloid Interface Sci. 等期刊发表论文6篇，申请国家发明专利 2 件。
文章来源：能源学人
