北大深圳研究院潘锋Nano Energy：固态电池中，MOF即离子导体促进界面Li+传输

【引言】

锂离子电池是目前研究和应用较广的绿色储能材料。但是目前关于锂离子电池的安全性、容量的大小和储能机制的研究，还不完善。固态电池能够解决锂离子电池在应用过程中，面临的一部分安全问题。然而，固态电池中的电导率问题一直困扰着其发展。主要原因是固态颗粒之间的离子电导率低，界面电阻较高，显著影响了固态电池的发展和应用。本文找到了一种新的、电化学稳定的MOF离子导体，极大的提高了固态电池的离子传输性能。

【成果简介】

近日，中国北京大学深圳研究院的潘锋（通讯作者）教授团队，发现固态电池（SSBs）的界面阻力与不稳定固体接触有关。离子导体能够提高SSBs界面Li⁺的传输性性能。离子导体通过离子液体（Li-IL）浸润多孔MOF主体。固态电解质（SSE）和Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）结合，客体Li-IL离子可以通过MOF主体的开放孔道与LLZO颗粒表面直接接触，这能使不稳定的固态接触转换成纳米浸润的界面，促进Li⁺传输。由于独特的纳米润湿界面，混合的SSE具有高的离子电导率1.0×10^-4 S·cm^-1和宽的电化学窗口5.2 V，并和Li金属负极具有很好的匹配性。基于此原理，LLZO基的LiCoO4和LiFePO₄ SSBs的界面Li⁺传输性能大幅提高，具有良好的循环稳定性，循环150圈后容量保持率为97 %，并且倍率性能优异。这种良好的化学性能与离子导体通过纳米界面机制有关。这种MOF离子导电剂在SSB内建立了有效的Li⁺传输网络，有助于提高器件的安全性和功率性能。相关成果以“Boosting Interfacial Li⁺ Transport with a MOF-Based Ionic Conductor for Solid-State Batteries”为题发表在Nano Energy上，博士后王子奇和博士生王子剑为共同第一作者。

【图文导读】

图 1 固态电池中，LIM离子导体的结构及其工作机理示意图

固态电池中，LIM离子导体的结构及其工作机理示意图。

图 2 UIO-67和LIM离子导体显微结构图

（a）UIO-67 MOF的实验和模拟XRD图谱；

（b）陶瓷LLZO粉末和标准Li₅La₃Nb₂O₁₂卡片的XRD图谱；

（c）UIO-67 MOF的SEM图像；

（d）LIM离子导体的SEM图像。

图 3 LIMs离子导体的Arrhenius和阻抗图

（a）不同离子液体含量的LIMs离子导体的Arrhenius图；

（b）在30-100℃下，LIM样品的EIS曲线（插入图是高频放大图）；

（c）不同LIM含量的LIM-L、烧结后LLZO陶瓷片和LLZO粉末压片离子导电性的Arrhenius图；

（d）含有20 wt%的LIM-L的LIM-L的EIS图（插入图是高频放大图）。

图 4 Li/LIM/Li对称电池性能图

（a）纳米润湿界面的示意图；

（b）Li-IL，LIM离子导体和LIM-L混合SSEs的Li⁺迁移数；

（c）极化前后，Li/LIM/Li对称电池的阻抗图（插入图是极化过程中电流随时间的变化）；

（d）Li-IL，LLZO，LIM离子导体和LIM-L混合SSE的电化学窗口；

（e）在0.1 mA/cm^-2的电流密度下，Li/LIM/Li对称电池的电镀剥离图。

图 5 LiCoO₂和LiFePO₄ SSBs的电池性能图

（a）不同电流密度下，LiCoO₂ SSBs的充放电曲线；

（b）LiCoO₂ SSBs的倍率图；

（c）在0.1 C的电流密度下，LiCoO₂ SSBs的循环性能图；

（d）不同电流密度下，LiFePO₄ SSBs的充放电曲线；

（e）LiFePO₄ SSBs的倍率图；

（f）在0.1 C的电流密度下，LiFePO₄ SSBs的循环性能图。

【小结】

本文发现浸润Li⁺离子液体的MOF主体的新型离子导体，可以在LLZO固态电池中降低界面阻抗。MOF主体具有3 D通孔结构，使内部Li-IL离子直接与LLZO和正极颗粒接触，形成纳米浸润Li⁺传输界面。离子导体和LLZO的混合SSE具有高的离子导电率1.0×10^-4 S·cm^-1，宽的化学窗口5.2 V。混合SSE和Li负极具有很好的匹配性，均匀的Li沉积能够有效地抑制Li枝晶的生长。当离子导体加入到LCO和LFP SSBs，有效的Li+传输网络在电池内部形成，进而提高电池的倍率性能和循环性能。具有纳米浸润界面的离子导体有助于Li⁺传输，这种方法实现为SSB规模化制造提供了新的思路。

文献链接：Boosting Interfacial Li+ Transport with a MOF-Based Ionic Conductor for Solid-State Batteries（Nano Energy, 2018, DOI: 0.1016/j.nanoen.2018.04.076）。

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