昆明理工马成伟/周江奇联合北京化工大学李纯莉，CEJ观点：用于非对称聚合物固态锂金属电池的黑磷烯快速离子传输通道

第一作者：孙紫鹏

通讯作者：马成伟，周江奇，李纯莉

单位：昆明理工大学，北京化工大学大学

聚合物固态电解质因其优异的柔性、可加工性及与电极良好的界面接触特性，被广泛认为是实现高安全性固态锂电池的重要候选者。然而，单层的固态电解质难以同时满足正负极界面的要求，为同时兼顾这两方面性能，研究者提出了不对称聚合物固态电解质的设计理念。该类电解质通常采用结构或组成上的非对称设计，使两侧界面分别具备针对性功能。如一侧有较宽的的电化学窗口，从而可以匹配高压正极；另一侧增强界面力学稳定性或化学兼容性，从而在整体上实现固态电解质对正负极的兼容性。近年来，多种不对称设计策略被报道，包括梯度固态电解质界面、双相聚合物构筑等，为高性能固态电解质的开发提供了新的思路。

近日，来自昆明理工大学的马成伟/周江奇与北京化工大学的李纯莉合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Black phosphorene fast ion transport channel for asymmetric polymer solid-state lithium metal batteries”的文章。该工作将二维纳米材料黑磷烯添加到非对称固态电解质中，利用黑磷烯和聚合物间存在相互作用力的特性，改善了两层材料界面性能，提高了离子电导率。此外，在电池循环过程中，会在阳极表面形成富含Li₃P的锂沉积层，具有抑制锂枝晶生长和改善阳极与电解质接触的作用。其中，BP@PNE层可以抑制锂枝晶生成，提供黑磷烯，创造快速锂离子传递通道。PV-MA层有宽电化学窗口、低结晶度和高交换电流密度，为SSLMBs的优秀离子传输动力学提供了保障。

黑磷烯（BP）的折叠晶格结构可以提供各向异性锂离子传输通道（面内离子电导率>10^-3 S cm^-1），表现出独特的锂亲和力和高离子导电潜力，同时磷的孤对电子可以有效降低锂成核能垒，并且其类金属性质可以均匀化界面电场分布并抑制枝晶生长。此外，黑磷烯具有波浪状各向异性的层状结构，锂离子在黑磷烯层间的扩散速率受限于晶体的方向，其中Li⁺传输途径在Armchair方向受到强烈约束，但是在Zigzag方向却有着显著的提高。在本工作中黑磷烯辅助快速锂离子传递通道的构建主要体现在两个方面，一是在固态电解质和阴阳极界面之间，二是在两种固态电解质之间。电池循环之后分别会在阴极和阳极界面形成CEI和SEI，与其他固态电池不同的是，该SEI层中富含Li₃P，与LiF相比，Li₃P有更好的稳定性和更高的锂离子电导率，有助于降低界面阻抗，形成快速的锂离子传递通道。黑磷烯与TFSI-和聚合物分子间存在弱相互作用力，能够促进LiTFSI解离，还可以有效缓解两种聚合物界面相容差的缺点。

PV-MA侧的SEM显示，其表面为疏松的小孔，连段活动更为活跃，有利于Li⁺传递。PV-MA具有5.3V的电化学窗口，能够匹配当前大多数商用正极。BP@PNE侧的SEM显示出致密的特征，这与PAN材料的高杨氏模量的特征相吻合。高模量的PAN有助于抑制锂枝晶的生长，降低BP@ASE的厚度，但是杨氏模量越高，材料的结晶度就会越高，非结晶区的变少不利于锂离子的传递。通过差示扫描热量法（DSC）测试（图2.e），发现PNE和BP@PNE的Tg分别为为57.37℃和48.12℃，说明黑磷烯的掺杂有效降低了PAN的结晶度，对Li⁺的传递起到积极作用。

Black phosphorene fast ion transport channel for asymmetric polymer solid-state lithium metal batteries

昆明理工大学化学工程学院特聘副教授，硕士生导师，北京理工大学工学博士，2022年校级青年人才，研究领域为电能源化学，包括无负极锂金属电池界面设计、固态锂金属电池、电池热管理仿真计算等，在Energy Storage Mater., Nano Lett., Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上发表论文20余篇，担任Adv. Mater., Energy Storage Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等多种期刊的特邀审稿人。主持云南省科技厅基础研究专项面上项目等多项省级科研项目。

2023年毕业于西安交通大学，师从唐伟教授，现为昆明理工大学化学工程学院特聘教授，入选校级青年人才、省级青年人才，研究领域为电能源化学，包括锂金属电池、固态电池、电池热-力-电多尺度仿真计算等，在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Carbon Energy.等SCI期刊上发表论文20余篇，他引1000余次。申请国家发明专利5项。目前担任Carbon Neutralization期刊青年编委，担任Adv. Mater., Adv. Energy Mater. Chem. Eng. J. 等多种期刊的特邀审稿人。主持和参与包括国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题以及云南省自然科学基金等在内的项目多项。

北京化工大学副教授，硕士研究生导师，长期从事极端环境下化学能源器件及其关键材料的基础研究与产业化应用。2023年作为青年优秀后备人才引进加入北京化工大学化学学院。主持国家自然基金青年项目、博士后面上项目、广东省重点开发课题等国家级/省级等项目，参与国家重点研发计划子课题、横向课题等十余项。近年来以第一作者/通讯联系人在Advanced Science、Journal of Energy Chemistry、small、Energy Storage Materials、Journal of Materials Chemistry A等国内外学术期刊发表研究论文30余篇；申请发明专利十余项，授权3项；获批团体标准6项；作为主编编写英文专著《Advanced Characterization Technologies for Secondary Batteries》1部。

孙紫鹏，硕士研究生，现就读于昆明理工大学化学工程学院，导师为马成伟特聘副教授。主要研究方向为快充柔性固态锂金属电池界面动力学调控机制研究，在Chemical Engineering Journal、Energy Storage Materials，ACS applied materials & interfaces等期刊发表SCI论文3篇，围绕复合固态电解质的研究，申请国家发明专利一项。