武汉理工徐林教授Adv. Funct. Mater.：自组装纳米链的“锚定-传输”效应实现全固态锂金属电池稳定运行

第一作者：杨莉，张文卫

通讯作者：徐林*

单位：武汉理工大学

基于聚合物的全固态锂金属电池因其高能量密度、高安全性而备受关注，然而聚合物电解质的低室温离子电导率阻碍了其发展。促进锂盐解离和提供锂离子传输通道是提升离子电导率的主要手段。虽然无机填料与锂盐间的相互作用有利于促进锂盐解离，然而无机填料的团聚问题仍未得到解决。纤维素作为一种环境友好材料，其丰富的羟基可为锂离子提供配位位点，然而其分子链间的强氢键作用反而会降低锂离子传输速率。因此，构筑一种均匀分布、促进锂盐解离且提供快速锂离子传输通道的新型填料成为解决以上挑战的有效策略。

近日，武汉理工大学徐林教授团队在《Adv. Funct. Mater.》上发表题为“Self-Assembled Nanochains with Synchronous Anchor-Transport Effect Reinforced All-Solid-State Lithium-Metal Batteries”的文章。通过MgF₂ （MF）与细菌纤维素（BC）间的分子间氢键作用自组装得到新型纤维素基纳米链BCMF，实现了MF颗粒的均匀分布，同时提升了BC的锂离子传输能力。该BCMF具有同步锚定锂盐阴离子和传输锂离子的作用，基于BCMF的聚合物电解质PLBCMF的离子电导率和对锂金属的稳定性得到显著提升。

聚合物基体中引入无机填料是提升电解质性质的有效策略，而传统的无机纳米颗粒填料易发生团聚，难以形成连续的锂离子传输通道。天然纤维素有望提供连续的锂离子传输通道，但其强分子内氢键阻碍了锂离子输运。通过分子间氢键将含F空位的MF自组装于BC上构筑新型纳米链，该设计一方面抑制MF的团聚，有效促进锂盐解离；另一方面减弱BC间的强相互作用，实现锂离子沿BC的快速输运。实验结果结合理论分析表明锂离子主要与BC上的OH配位，因而BCMF具有良好的锂盐解离和锂离子输运能力。

不含聚合物的BCMF自支撑电解质膜具有较高的室温离子电导率（2.29 × 10^-4 S cm^-1）和较低的活化能，体现了其优异的离子传输能力。含BCMF的复合电解质的室温离子电导率达到8.75 × 10^-4 S cm^-1，此外锂锂对称电池实现长达10000多小时的超长稳定循环，临界电流密度达1.4 mA cm^-2。相比于近期已报道的复合电解质，PLBCMF的离子电导率、组装对称电池的循环性能及倍率性能均体现出极大的优势。

徐林，武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室教授，博士生导师，入选国家级高层次青年人才项目。2013年在武汉理工大学获博士学位，随后在美国哈佛大学（2013-2016）和新加坡南洋理工大学（2016-2017）从事博士后研究。主要从事纳米储能材料与器件研究，包括固态电池、水系电池等高安全电池体系，重点围绕纳米材料界面的设计构筑、原位表征及电化学性能。在Nature Nanotech., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Joule等国际学术期刊发表论文120余篇。曾获得国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、湖北省自然科学一等奖等科研奖励。