课题组开发出聚合物包覆陶瓷型固体电解质

 

近些年来，人们对高能量的先进存储设备的需求，使得由液体锂离子电池发展到全固态金属锂电池。利用固体电解质代替易燃的有机液体电解质，有效地提高了电池的安全性和稳定性。但是，目前很难应用传统的制造技术来制备厚度< 200 μm的陶瓷氧化物电解质。陶瓷颗粒没有足够的柔性来适应电极材料在失效前的变形应变。石榴石粉末在松散堆积的晶界/颗粒边界不支持Li⁺的快速传导，因此以石榴石粉为原料，采用流延等传统工艺制备高性能薄膜石榴石电解质仍然面临挑战。

近日，在北京分子科学国家研究中心、中国科学院、国家自然科学基金委、博士后科学基金委和科技部的支持下，中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术实验室郭玉国课题组开发报道了通过将LLZTO颗粒表面均匀包覆聚丙烯腈层（PAN），制备了具有超高陶瓷含量的改性石榴石粉。在没有颗粒烧结或施加外部压力的情况下，其表现出了有效的颗粒间Li⁺传输。其中，陶瓷/聚合物界面处的紧密化学相互作用有助于诱导PAN的部分脱氢氰化作用，并且生成了局部共轭结构。通过核磁共振技术和密度泛函理论计算发现，共轭结构更容易与Li离子相互作用，并且在LLZTO/PAN界面上触发快速的Li⁺交换，因此它们可作为陶瓷颗粒之间的连续Li⁺传导途径。由聚合物包覆的陶瓷颗粒流延制备的薄膜电解质（厚度<10 μm）显示出良好的电化学性能。研究成果发布在国际著名期刊《Journal of the American Chemical Society》上(https://doi.org/10.1021/jacs.0c12965)。郭玉国和辛森研究员为该文章的共同通讯作者，博士研究生陈婉平和段惠为本文共同第一作者。