鋰離子電池(LIB)在便攜式電子設備，電動車等領域有著廣泛的運用，但低能量密度和易漏、易燃等安全問題使得LIB難以滿足當代需求。固態(tài)電池(SSB)，使用更安全的固態(tài)電解質(SSE)取代液態(tài)有機電解質，避免了電解液的泄漏，規(guī)避了電解液的易燃問題，并且固態(tài)電池可以物理阻擋鋰枝晶或者經(jīng)過修飾之后使得鋰沉積更加均勻，因此可以使用鋰金屬作為負極，被認為是未來最有希望的便攜儲能體系之一。

固體電解質一般包括無機氧化物陶瓷類，硫化物類，有機聚合物類，氫化物類以及薄膜固態(tài)電解質LPON。其中無機氧化物陶瓷類又主要包括石榴石型LLZO，NASION型，還有鈣鈦礦類固態(tài)電解質。無機氧化物陶瓷固態(tài)電解質不僅電導率高，可達到10-3S/cm，而且電化學窗口寬，但是由于陶瓷SSE的剛性和脆性，界面問題是阻礙SSB的實際應用的一大因素;SSB中固體-固體界面(固態(tài)電解質顆粒間及固態(tài)電解質與電解材料顆粒間)的鋰離子傳輸動力學與傳統(tǒng)LIB的液-固界面的相比要差得多，從而限制了SSB的活性物質負載量和倍率性能。對于無機陶瓷的界面問題，以LLZO固態(tài)電解質為例，國內外很多課題組對其界面做了諸多的努力，LLZO由于其表面的碳酸鋰，氫氧化鋰等表面產(chǎn)物，使得其與金屬鋰接觸不潤濕，如就將非晶硅、Ge、Sn、Al2O3等鍍在LLZO表面來改善與金屬鋰的接觸。但是在與正極接觸的界面很少有改善的工作，有引入凝膠聚合物電解質的，也有將LLZO和正極直接燒結在一起的，但是這樣還是引入了易燃的電解液或者循環(huán)性能不穩(wěn)定。并且致密的LLZO的燒結需要高溫，過程繁瑣且耗能，因此開發(fā)一種可以同時改善LLZO晶界和正、負極界面的方法具有重要的科研、產(chǎn)業(yè)價值。

圖1改善固態(tài)鋰電池界面鋰離子傳輸示意圖

近日，北京大學深研院新材料學院潘鋒教授課題組針對固態(tài)電池的固體-固體界面問題設計了一種新型的電化學穩(wěn)定的MOF離子導體，將其和LLZO結合在一起，有效地改善了界面的Li離子遷移。這種離子導體(Li-IL@MOF，命名為LIM)是多孔MOF和含鋰離子液體(Li-IL)的混合物。作為SSB的離子導電劑，Li-IL可以通過MOF主體的開放孔道與LLZO顆粒表面直接接觸，這能使不穩(wěn)定的固態(tài)接觸轉換成納米浸潤的界面，促進鋰離子傳輸。制備方法是簡單地將LLZO粉末與20%的LIM混合，然后在手套箱里用直徑12mm的模具施加8T的壓力壓成片，混合的SSE在室溫下表現(xiàn)出高的離子電導率(1×10-4s/cm)，并且具有寬的電化學窗口5.2V，且與Li金屬負極具有良好的匹配性。當離子導體和LiCoO2(LCO)和LiFePO4(LFP)混合組裝成SSBs后，可以在電池內部建立有效的Li+傳輸網(wǎng)絡，從而在非常高的的活性物質負載量(15.9和12.4mg/cm2)下，在室溫25℃，可以實現(xiàn)低倍率0.1C的長期循環(huán)穩(wěn)定。該工作近日發(fā)表在國際材料與能源領域頂級期刊NanoEnergy(201849,580p，影響因子為12.34)上。

圖2分別以鈷酸鋰和磷酸鐵鋰為正極的全固態(tài)電池性能

這種通過將含鋰離子的離子液體裝載到MOF主體中來設計新穎的離子導體，并將其用于基于LLZO的固態(tài)電池中以降低界面電阻方法對于改善固態(tài)電解質與正負極之間的阻抗具有重要的借鑒意義，并且具有納米潤濕界面的離子導電劑為固態(tài)電池的制備也提供了新的思路。

該工作在潘鋒教授指導下，由北京大學深圳研究生院新材料學院的王子奇博士后和王子劍博士生作為共同一作，在與團隊緊密合作完成的。此工作的順利開展得到了基于材料基因組的全固態(tài)電池國家重大專項、國家自然科學基金、中國博士后科學基金的支持。