中国科学院Angew：仿神经元结构的机硅纳米线@蒙脱石纳米填料助力PEO基固态电解质实现宽温域锂金属电池的稳定循环

第一作者：王万凯

通讯作者：杨燕飞*，张俊平*

单位：中国科学院兰州化学物理研究所，资源化学与能源材料研究中心

近日，中国科学院兰州化学物理研究所资源化学与能源材料研究中心张俊平团队在国际知名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表题为《Neuron-Like Silicone Nanofilaments@Montmorillonite Nanofillers of PEO-Based Solid-State Electrolytes for Lithium Metal Batteries with Wide Operation Temperature》的研究论文。该论文通过将有机硅纳米线接枝在蒙脱石纳米片上合成了一种类似神经元结构的SNFs@MMT超疏水纳米填料，并制备了PEO/SNFs@MMT复合固态电解质。该固态电解质具备高的离子电导率（4.9 × 10^-4 S cm^-1，30 ℃）和离子迁移数（0.63）以及优异的氧化稳定性（5.3 V）和机械性能。使用该复合固态电解质和 LiFePO₄ 或 NCM811正极组装的全固态锂金属电池可在 50 ℃ 至 0 ℃ 的宽温度范围内表现出卓越的循环稳定性和倍率性能。

神经元是神经系统最基本的结构和功能单位，主要由细胞质、轴突和树突组成。神经元特殊的结构使得神经系统具备强大的信息传递和处理能力。受此启发，通过甲基三氯硅烷在甲苯中的水解缩合作用，将有机硅纳米线接枝到蒙脱石纳米片上制备了仿神经元结构的有机硅纳米线@蒙脱石纳米填料。该材料与神经元结构类似，可在PEO基固态电解质中快速地传递和接受Li⁺。

有机硅纳米线对蒙脱石纳米片在PEO基固态电解质中的分散性有显著的增强作用。因此，SNFs@MMT可均匀分布在PEO/SNFs@MMT固态电解质中，有效增强PEO PEO/SNFs@MMT固态电解质的基本性能。使PEO/SNFs@MMT120固态电解质具备高的离子电导率（4.9 × 10^-4 S cm^-1，30 ℃），锂离子转移数（0.63）以及优异的氧化稳定性（5.3 V）。

采用PEO/SNFs@MMT固态电解质和 LiFePO₄正极组装的全固态锂金属电池表现出优异的循环稳定性和倍率性能。该电池可在50 ℃-0 ℃的宽温域条件下正常运行，另外该固态电解质对NCM811电极也表现出良好的适配性。

结合分子动力学和DFT理论计算，揭示了锂离子在PEO/SNFs@MMT复合固态电解质中的传输机制。SNFs@MMT可在不同方向上形成大量的类突触连接，为快速且均匀的锂离子传递提供了大量通道；同时，SNFs@MMT与锂离子间的相互作用，有效增加了SNFs@MMT和PEO界面处的锂离子浓度，从而实现了快速且均匀的锂离子传输。

Neuron-Like Silicone Nanofilaments@Montmorillonite Nanofillers of PEO-Based Solid-State Electrolytes for Lithium Metal Batteries with Wide Operation Temperature

张俊平，山东招远人，理学博士，研究员，博导，资源能源中心主任，民盟甘肃省委委员，政协甘肃省第十三届委员会委员。2003年毕业于淮北煤炭师范学院化学系获理学学士学位；2008年毕业于中国科学院兰州化学物理研究所获理学博士学位；同年留所工作；2009年8月至2012年7月，在瑞士苏黎世大学物理化学系进行博士后研究；2012年8月获中国科学院人才计划（A类）支持，在中国科学院兰州化学物理研究所工作。

主要从事有机硅和硅酸盐黏土的特殊润湿性涂层的应用基础研究、技术开发，包括超疏液涂层、锂电池隔膜、固态电解质、太阳能界面蒸发材料等。在Sci Adv、Nature Commun、Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater等刊物上发表研究论文190余篇，其中通讯作者或第一作者150余篇（SCI收录140余篇），被引12000余次，单篇研究论文最高被引700余次，H因子64，2021-2023年Elsevier中国高被引学者（材料科学与工程）；著有《凹凸棒石新型功能材料及应用》等多部专著；申请中国发明专利50余件，授权30余件。曾获国家技术发明二等奖、甘肃省自然科学一等奖、陇原人才（A类）、甘肃省领军人才（第一层次）等奖励。承担了中国科学院“特聘人才计划”（A类）、国家自然科学基金面上项目、科工局火炸药专项、装发“慧眼行动”、等重大任务，建立了2个所企联合实验室。

杨燕飞，甘肃静宁人，理学博士，助理研究员，中共党员。2012年于辽宁科技学院获理学学士学位，2016年于兰州理工大学获工学硕士学位，2019年于中国科学院兰州化学物理研究所获理学博士学位，同年留所工作。主要从事硅酸盐黏土矿物、有机硅的锂电池隔膜和固态电解质的应用基础研究。目前，以通讯作者或第一作者在 Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater、Energy Storage Mater、Small、J Mater Chem A 等期刊发表论文 10 余篇，其中封面文章 3 篇；申请国家发明专利 15 件，授权 9 件。主持了国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金、兰州市人才专项、中国科学院兰州化学物理研究所青年合作基金等项目。

王万凯博士研究生，现就读于中国科学院兰州化学物理研究所。2017年于甘肃农业大学获工学学士学位，2020年于兰州理工大学获工学硕士学位，2020年至今于中国科学院兰州化学物理研究所攻读材料学博士学位。主要从事硅酸盐黏土矿物、和固态电解质的应用基础研究。目前，在 Angew Chem Int Ed、Small、J Mater Chem A、J. Colloid Interface Sci. 等期刊发表论文6篇，申请国家发明专利 2 件。