沈彩、刘兆平等在复合固体电解质离子迁移机制方面取得重要进展

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相对传统的液态电解质锂离子电池，采用固体材料作为电解质的全固态电池具有更高的能量密度和安全性。其中以聚合物固态电解质为基体、无机固态电解质为填料所制备的复合固态电解质，具有良好的电极-电解质界面接触，以及较高的离子电导率，是近年来的研究热点。理解复合固体电解质中电荷迁移及其结构演变是设计高性能固体电解质的关键之一。

　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所动力锂电池工程实验室沈彩副研究员在前期（ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 25441-25447；Small Methods 2018, 2, 1700298； Journal of Microscopy, 2020, 1, 49-57；Nano Energy，2021, 83, 105847）工作基础上，采用锂镧锆氧（LLZO）无机固态颗粒和聚氧化乙烯（PEO）聚合物基体，制备了不同LLZO含量（0 wt.%、50 wt.%、75 wt.%）的LLZO-PEO复合固态电解质，采用峰值力导电原子力显微镜，研究了温度和LLZO含量对该复合固态电解质中离子迁移的影响。研究表明，当温度低于PEO的玻璃化温度转变点（Tg）时，PEO基体为链状的结晶态，LLZO颗粒的加入使得LLZO与PEO的界面处形成了PEO非晶区，从而降低了PEO的结晶度和玻璃化转变温度。结合微区定量纳米力学测量技术，发现随着温度的升高，该电解质的杨氏模量降低，粘附力升高。温度低于玻璃化转变温度Tg时，无论LLZO含量如何，锂离子都只能沿非晶态的PEO进行迁移；温度高于Tg时，当加入少量LLZO颗粒时，锂离子主要沿非晶区PEO进行迁移，随着LLZO含量（75 wt.%）的增加，LLZO颗粒在PEO基体中形成连续的离子导电网络，锂离子可以在高温下通过LLZO颗粒进行迁移。在所制备的电解质中，离子迁移电流高于电子电流三个数量级，占主导地位。其中PEO区域的电子电流远大于LLZO颗粒，说明LLZO颗粒的加入可以提高复合电解质的电子绝缘性能。由于LLZO具有较高的模量和优异的绝缘性能，因此LLZO颗粒的加入有望抑制金属锂负极中锂枝晶的生长。
　　该工作在有机固体电解质玻璃化转变状态下直观地揭示了无机填料含量和工作温度对复合固态电解质性能的影响，对锂离子电池固态电解质的设计和开发具有重要的指导意义。研究结果发表在Energy Storage Materials 2021，https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.028。沈彩副研究员为论文第一/通讯作者，黄云博为共同第一作者，刘兆平研究员为共同通讯作者。
　　以上工作得到了国家重点研发计划（2016YFB0100106）、国家自然科学基金（U2032126）、浙江省自然科学基金-台州联合基金（LTY20B030001）等项目支持。


        文章来源：宁波材料所
        刘兆平，博士，研究员，博士生导师，入选中组部“万人计划”、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、浙江省151人才计划、宁波市3315人才计划、宁波市领军和拔尖人才第一层次等，国家五一劳动奖章及浙江省五一劳动奖章获得者。研究方向为石墨烯和动力锂离子电池及其材料技术。已在Nature Communications,J. Am. Chem. Soc. ， Angew. Chem. ，Adv. Mater.等著名学术期刊上发表论文近170篇，获他人引用6200余次；申请国家发明专利200余项，PCT专利8项；带领团队实现石墨烯粉体、石墨烯薄膜、新一代动力锂电池正负极材料产业化技术和转移转化。主持承担了国家自然科学基金、中科院重点部署项目、中科院科技服务网络计划（STS）项目、中科院国际合作项目、中科院院地合作项目、浙江省重点研发计划、浙江省杰出青年基金项目、宁波市科技创新团队项目以及企业合作等科技项目30余项。
       沈彩，博士，副研究员，硕士生导师。招生方向：表界面化学与物理，新能源材料及相关技术。2001年毕业于福州大学化学基地，2004年在中科院上海硅酸盐研究所获得工学硕士，2008年在英国圣安得鲁斯大学化学系获得博士学位。曾先后在香港科技大学，美国马里兰大学，德国海德堡大学，丹麦奥胡斯大学从事研究工作。长期致力于纳米材料表面/界面性质的研究。具有纳米材料制备、电化学以及扫描探针技术（STM，AFM）等多领域交叉学科的专业知识。在Journal of American Chemical Society，Angewandte Chemie International Edition，Chemical Science，Chemical communications，Langmuir，Applied Physics Letters等期刊上发表论文近20篇。担任多家国际知名学术期刊的审稿人和仲裁审稿人。2013年1月以“春蕾人才”引进加盟新能源所。目前主要从事扫面探针显微镜在锂离子电池电极材料表界面的研究。