北京理工大学谭国强教授团队ESM：金属有机离子凝胶纳米复合电解质用于高效稳定的固态锂电池

第一作者：杨宁宁，曹文泽

通讯作者：谭国强

单位：北京理工大学、北京理工大学重庆创新中心

固态电池因其在能量密度、循环寿命和安全性方面的显著优势，被广泛视为下一代锂电池的重要发展方向。固态电解质的引入不仅能够有效抑制锂枝晶的生长，还为金属锂负极的直接使用提供了可能，从而推动高能量密度锂金属电池（如Li–S和Li–O₂电池）的发展。然而，现有固态电解质技术仍面临诸多挑战。全固态电解质普遍存在室温离子电导率低、界面阻抗高、制备条件苛刻等问题，难以同时满足高离子电导率（≥10⁻³ S cm⁻¹）、宽电化学窗口（≥4.3 V）、良好机械强度与界面相容性等多重要求。相比之下，准固态电解质通过将液态电解质引入多孔骨架中，可在一定程度上改善离子传输与界面润湿性，但其结构稳定性较差，主要表现为液体易泄漏、孔道利用率低以及微观结构不均匀，限制了其实际应用。

近日，北京理工大学谭国强教授团队在国际知名期刊《Energy Storage Materials》上发表题为“Metal-organic ionogel nanocomposite electrolytes for efficient and stable solid-state lithium batteries”的研究论文。在该项研究中，团队首次提出了“金属有机离子凝胶”新概念，通过一步溶胶-凝胶自组装法，将离子液体电解质原位限域于有序介孔金属有机框架中，成功构筑了一种兼具高离子电导率、宽电化学窗口与优异热稳定性的准固态电解质。经优化设计的金属有机离子凝胶呈现出均一稳定的玻璃态微观结构，在室温下表现出快速锂离子传导能力，同时显著改善了与锂金属负极的界面相容性，在LiFePO4//Li和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2//Li电池中均展现出高比容量和优异的循环稳定性。这种简单可扩展的溶胶-凝胶策略为准固态电解质的设计提供了一种全新思路，有望推动高能量密度固态锂金属电池的实用化发展。

本研究首次提出了“金属有机离子凝胶”这一新概念，并成功通过一步溶胶-凝胶自组装法，构筑了一类结构均一、性能优异的新型准固态电解质。研究结果表明，离子液体电解质被均匀限域于有序介孔金属有机框架中，形成了玻璃态的稳定微观结构。该材料在室温下实现了1.02 × 10⁻³ S cm⁻¹的高锂离子电导率、4.8 V的宽电化学窗口以及优异的热稳定性（>300 °C）。更重要的是，基于该电解质的LiFePO₄//Li和LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂//Li固态电池均展现出高初始比容量与优异的循环稳定性，200次循环后容量保持率分别高达98.6%和85.4%。这种简单、可扩展的溶胶-凝胶策略为准固态电解质的结构设计与性能优化提供了全新思路，有望为高能量密度固态锂金属电池的实用化发展奠定重要基础。

Metal-organic ionogel nanocomposite electrolytes for efficient and stable solid-state lithium batteries

曹文泽，北京理工大学材料学院在读博士研究生。研究方向为复合固态电解质材料。已在Energy Storage Mater. 发表SCI论文2篇。

谭国强，北京理工大学长聘教授、博士生导师。主要从事高比能电池、电池失效分析、再生利用及机器学习方面的研究。研究体系包括金属离子电池、金属−硫族/卤族电池、固态电池等。迄今发表SCI论文90余篇，申请/授权国家发明专利20余项，出版教材/专著2本。