新加坡国立大学/新国大重庆研究院John Wang院士联合A*STAR 超算中心Yong-Wei Zhang教授表发Sm

第一作者：孙建国

通讯作者：Yong-Wei Zhang*，John Wang*

单位：新加坡国立大学/新国大重庆研究院，A*STAR超算中心

得益于固态电解质固有的高安全性，器件可靠性以及在锂离子电池后获得高能量密度的潜力，全固态电池（ASSBs）成为一种非常有前途的下一代储能技术。基于此，目前研究者在开发理想的固态电解质（SSE）方向投入了巨大的努力。虽然从一定的角度出发，探索出具有完美特性的固态电解质是可能得，但是仍然存在一些瓶颈问题限制固态电池的大规模应用。至今为止，在追求室温高离子电导的固态电解质的探索道路上已经取得了可观的进展，但是关于界面高阻抗的问题（尤其在快充）依然无法有效地解决。

较高的界面电阻在很大程度上是由刚性接触引起的无效离子传导和电化学势差引起的界面副反应产生的，尽管聚合物电解质在一定程度上可以解决此问题，但是他们的室温下电化学不稳定性和低离子电导依然有待解决。构建理想的固-固界面需要物理，化学和机械性能之间的协同设计。此外，还需平衡包括晶格动力学，一致的离子迁移以及SSE本身穿越晶界的巨大能垒等几个关键问题，这对于设计具有高离子电导的离子导体至关重要，并且这仍然是显著的挑战。

近日，来自新加坡国立大学/新国大重庆研究院John Wang院士课题组孙建国研究员联合A*STAR 超算中心Yong-Wei Zhang教授在国际知名期刊Small上发表题为“Frameworked Electrolytes: A Pathway Towards Solid Future of Batteries”的观点文章。该观点性文章提出了开发一种全新的基于凝聚态框架电解质的固态电池，为基于框架电解质开发全固态电池提供了全面的分析，并且总结了未来框架电解质大规模制备的策略方案。笔者指出框架电解质在克服传统固态电解质的局限性方面提供了令人兴奋的机会，有希望进一步推动固态电池储能技术的的发展。

如图1所示，作者首先总结了固态电池中电化学的重要性，提出界面匹配问题在决定固态电池稳定运行方面的关键作用。在此基础之上，作者总结了目前主流晶体结构的电解质内部的离子传导机制，并对比了基于聚合物电解质的传导机理。在总结目前陶瓷、聚合物等电解质的发展及瓶颈之上，作者提出开发基于凝聚态结构的框架电解质的迫切性，并详细阐述了什么是框架电解质。

具体如图1所示，鉴于框架材料中在亚纳米尺度中存在的大量连续的有序孔网络，并且它们具有在亚纳米尺度上捕获客体分子的独特能力，因而其可以用来设计离子快速迁移的合适通道。在亚纳米级的孔道中，框架结构绑定的分子将与目标离子存在弱相互作用，离子在框架锚定的分子/阴离子的辅助下可以独立迁移，并且这种弱相互作用可以加速离子跳跃并实现较低的迁移能垒，从而实现高离子电导率。这种独特的固体电解质结构被定义为框架电解质（FE），其宏观表现出固态特性。

随后，研究人员总结了框架电解质中关键组成部分框架结构的选择关键要素，重点聚焦在框架结构的孔的尺寸，电化学稳定性以及与溶剂分子机离子的相互作用。在此基础之上，作者对比了目前可作为框架选择的沸石、金属有机框架，共价有机框架的综合特性，并且总结了目前关于离子、分子与框架材料的相互作用的研究，提出了未来框架电解质的发展方向及潜力。此外鉴于目前在追求高能量密度的固态电池设计方面对于超薄固态电解质的追求（如图3），作者提出了框架电解质在室温下制备固态电池的巨大优势，并且探讨了关于如何实现框架电解质商业化大规模制备的有效途径（如图4）。

随后，作者继续讨论了固态电池中的关键问题：界面问题，总结了固态电池中存在的界面热动力学活性以及界面空间电荷分布在固态电池中的关键作用。并且提出了关于解决上诉问题的可行方案。（图5）于此同时，鉴于未来固态电池应用背景对快充电池的需求，作者探讨了关于如何实现快充的方案。提出在固态电池的电极制备过程中需要关注有序离子通道的设计问题，以及活性材料纳米化的问题。（图6）

最后，作者对于框架电解质中如何提高其电压窗口，离子电导率方面做出了展望，提出通过有机官能团修饰在调控框架结构中的活性位点的重要性，进而影响有机分子有离子的相互作用。而对于基于框架电解质的固态电池的大批量制备，作者认为其可以目前的锂离子电池生产线进行糅合，利用现有的经验结合涂布工艺实现叠片电池的高密度堆叠制备。于此同时，作者也指出目前框架电解质的开发还处于起步阶段，更多的关于离子传导机制，界面稳定性的问题仍然有待研究。尽管目前框架电解质离商业化还存在相当长的时间，但框架电解质的兴起是开发探索新体系的一盏指路明灯，是设计新的可用于EVS或便携式电子产品的下一代全固态电池的强大动力。

Frameworked Electrolytes: A Pathway Towards Solid Future of Batteries

John Wang教授，目前工作于新加坡国立大学材料科学与工程系，在功能材料及材料化学领域拥有30年以上的研究和教学经验。研究方向涉及能源材料及器件、二维材料化学、纳米材料膜设计及其在水处理气体分离等领域的应用。John Wang教授目前担任新加坡国立大学重庆研究院院长。John Wang教授同时是Institute of Materials,Minerals and Minino(UK)的Fellow，亚太材料科学院院士，新加坡工程院、 新加坡科学院院士，2020-2023科睿高被引学者。

Zhang Yong-Wei教授是新加坡科技研究局（A*STAR）高性能计算研究所执行副所长，于1992年获得西北工业大学博士学位，先后工作于中科院力学研究所，布朗大学、新加坡国立大学以及新加坡科技与设计大学。他提出并发展了多尺度建模与仿真模型，实现对低维材料的物理特性的精准预测并指导相关材料设计，相关结果发表在Science、PNAS、Nature Nanotechnology等高水平期刊上，谷歌引用近4万次。先后获得 Institute Highly Cited Paper Award (2014), Institute Best Inter-Department Industry Project Award (2013), and A*STAR Aerospace Programme Achievement Award (2013)等奖项。

孙建国博士，目前于新加坡国立大学任职研究员。2021年博士毕业于新加坡国立大学机械系，随后加入材料系John Wang教授课题组从事研究员 (Research Fellow)工作至今。目前研究领域包含能源材料的构效关系及其在固态电池，钠离子电池，硫电池等储能体系中的应用。近五年以一作及通讯作者于Angew, AM, AFM, Sci. Bulletin等发表SCI文章26篇，H因子24，累计引用1800余次。孙建国博士曾获得日本科技部“樱花”优秀青年访问学者奖、IOP最值得信赖审稿人奖。同时担任SCI期刊Functional Materials Letters编委以及AM, ESM, Small、J. Energy. Chem.等期刊审稿人。