近日，材料与能源学院（西南联合研究生院、云南省先进能源材料国际联合研究中心）郭洪教授团队在能源环境知名国际期刊Energy & Environmental Science（影响因子32.5）发表新型主客体识别电解质体系固态电池最新进展“Constructing host-guest recognizable electrolytes promotes the Li+kinetics in solid-state batteries” (https://doi.org/10.1039/D3EE03283C)。刘清博士为论文第一作者，郭洪教授为通迅作者。
随着电气化交通和电网储能的快速发展，迫切需要兼具高能量密度和高安全性的电池新体系。与液态锂离子电池相比，固态电池具有更好的安全性和更高的能量密度，被誉为下一代储能设备。在各类固态电解质中，聚合物电解质因其高柔韧性和良好的界面接触性而被认为是可大规模工业化的材料。然而，聚合物电解质受到缓慢的离子动力学和低选择性Li+离子转运的限制，导致电池的整体性能不理想。此外，高压下聚合物电解质的不稳定性也严重阻碍了其性能的提高。为了解决这些问题，迫切需要改善电解质材料对离子运输的选择性来加速Li+离子动力学，它不仅能使Li+离子通量均匀化，还能保持稳定的负极/电解质界面。此外，拓宽电解质的电化学稳定性窗口和提高机械强度对于提高固态电池性能也至关重要。构建主－客体可识别的聚合物电解质是克服其固有缺陷的一种新策略。然而，目前相关的主－客体识别聚合物固态电解质研究甚少。因此，迫切需要开发具有有效宿主的识别系统来应对固态电池的挑战。
基于上述问题并结合前期的研究基础（Hong Guo*, et. al, Adv. Mater. 2023, 2304511; Angew Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202300962; Mater. Today 2023, 64, 21），天天5g天爽5g入口郭洪教授团队提出了一种新型主－客体可识别凝胶聚合物电解质（GPE）策略，并进一步结合原位聚合技术构建MOFs-GPE体系。在这个独特的体系中，作为客体的锂盐和溶剂分子可以被宿主识别，从而减弱阳离子和阴离子的静电相互作用，降低迁移能垒，增强离子电导率，抑制锂枝晶的形成。如图1所示，设计引入合适的宿主MOFs材料使所获得的MOFs-GPE凝胶电解质结构具有明显的优势：（1）大量非氧化还原活性Ti金属中心和各种O位点协同促进Li+离子运输动力学。（2）有序的通道和微孔特性有助于在充放电过程中均匀的Li+离子沉积，促进稳定界面层的形成，提高循环性能。（3）机械强度提高、耐高压，能够与三元高镍正极相匹配实现优良性能。此外，得益于原位聚合策略，MOFs-GPE体系与电极还具有良好的界面接触。研究发现，所合成的MOFs-GPE具有5.05 V的电化学稳定窗口，迁移数提升为0.71，离子电导率提高至1.36×10-3S cm-1。当与LiFePO4正极匹配时，在1C电流密度下循环500次后，其容量保持率高达98.1%。对于高容量LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2正极，在0.5 C条件下首次放电比容量为193.7 mAh g−1，循环250次后容量保持率为71.4%。此外，通过各种原位测试同时结合DFT计算，全面分析并证实了MOF主体对电解质中Li+离子迁移的积极作用。本研究为促进Li+离子在“主－客体”电解质体系中的快速迁移提供了一种合理的设计策略，为开发更高能量密度的固态电池提供了理论基础。
图1. MOF(Ti）主体的设计原理示意图及所合成的电解质的电化学性能图
该研究成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、双一流建设基金、省先进能源材料国际联合研究中心等项目的支持。
