宫勇吉教授、汤沛哲教授，Nano Letters：通过二维氮化硼纳米片在准固态电解质中构筑锂离子快速传输通道- 大数跨境

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宫勇吉教授、汤沛哲教授，Nano Letters：通过二维氮化硼纳米片在准固态电解质中构筑锂离子快速传输通道

科学材料站

2023-08-30

导读：宫勇吉教授、汤沛哲教授，Nano Letters：通过二维氮化硼纳米片在准固态电解质中构筑锂离子快速传输通道

文章信息

通过二维氮化硼纳米片在准固态电解质中构筑锂离子快速传输通道

第一作者：左璟涵，党燕

通讯作者：汤沛哲*，宫勇吉*

单位：北京航空航天大学

研究背景

准固态电解质相较于传统的有机液态电解液具有更好的安全性，相较于全固态电解质具有更好的可加工性，因此受到了广泛的关注。但是，液相组分的存在让准固态电解质电化学稳定性与安全性有了一定的损失。同时，准固态电解质一般具有较低的锂离子迁移数，限制了其锂离子传输能力。上述缺陷阻碍了准固态电解质在实际场景下的进一步应用。

文章简介

近日，来自北京航空航天大学的宫勇吉教授与汤沛哲教授合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Fast Lithium Ion Transport Pathways Constructed by Two-Dimensional Boron Nitride Nanoflakes in Quasi-Solid-State Polymer Electrolyte”的文章。研究人员通过将氮化硼纳米片加入碳酸酯基聚合物基体中，实现了具有优异综合性能的准固态电解质的制备。该复合电解质具有良好的阻燃性、可加工性和电化学稳定性。通过计算模拟和多种表征手段，研究人员研究了氮化硼纳米片在准固态电解质中与锂的相互作用，揭示了锂离子快速传输现象的机理。此外，研究人员通过多项测试验证了该电解质对锂金属负极和商用正极的良好相容性。本篇文章为无机填料在有机固态电解质中的应用提供了有利思路，有助于推动聚合物准固态电解质的研究及实际应用。

图1 复合电解质的制备过程。

本文要点

要点一：复合电解质的基本特点

在复合电解质中，作为无机填料使用的氮化硼纳米片厚度小，具有明显的二维形貌特点，可以被均匀地分散在聚合物基体中。复合电解质横向尺寸、厚度可调，具有良好的可加工性，可以任意扭转、弯曲、折叠，而不产生破坏。更重要的是，相较于无填料的聚合物基体，加入了氮化硼纳米片的复合电解质具有良好的阻燃性，其在被打火机点燃后，能很快自熄，并保持完整。作为对比，聚合物基体会在被点燃后会持续燃烧直至烧尽。

图2 （a-b）氮化硼纳米片的拉曼图谱和透射电子显微图像，（c-e）复合电解质尺寸可调，可加工性强，（f）复合电解质与聚合物基体的点燃测试。

要点二：优异的锂离子传输能力

加入氮化硼纳米片后，复合电解质的锂离子迁移数和锂离子电导率均得到了显著的提升。同时，其在不同电流密度下的过电位下降，能够耐受的最大电流密度也显著提高，说明氮化硼纳米片的加入有效提高了电解质的锂离子传输能力。

通过密度泛函理论（DFT）计算和飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）的表征，研究人员发现锂离子与氮化硼纳米片之间存在有利的相互作用，锂离子倾向于分布于纳米片的表面，而相应的阴离子倾向于远离纳米片。第一性原理分子动力学（AIMD）模拟结果以及对电解质不同温度下锂离子电导率的测量证实了锂离子在氮化硼纳米片的帮助下可以更好地进行传输。基于此，研究人员认为，通过锂离子与氮化硼纳米片的相互吸引，锂离子快速传输通道在纳米片表面得以构筑，锂离子在通道中可以更快更好地运动，从而实现复合电解质锂离子传输能力的提升。

图3 （a-c）复合电解质的优异锂离子传输能力，（d）DFT计算结果，（e）TOF-SIMS测试结果。

图4 （a-e）AIMD模拟结果，（f）不同温度下电解质锂离子电导率测定结果。

要点三：复合电解质的性能表现

由于具有上述的种种优点，复合电解质体现出对锂金属负极的良好相容性，显著改善了锂的沉积和脱附行为。在0.1 mA cm^-2的电流密度、0.1 mAh cm^-2的循环容量下，使用复合电解质的锂金属对称电池展现出超过5600小时的超强循环稳定性，这种稳定性在更大的电流密度以及循环容量下也得以保持。复合电解质促进了锂金属的均匀沉积，抑制锂枝晶的生长，有效提升了锂金属负极的使用可靠性。

在全电池中，复合电解质也体现出对商用大载量磷酸铁锂正极以及高电压三元正极的良好相容性。得益于复合电解质良好的锂离子传输能力和宽电化学稳定窗口，全电池体现出了优异的倍率性能和循环稳定性。

图5 复合电解质对锂金属负极和商用正极的良好相容性。

文章链接

Fast Lithium Ion Transport Pathways Constructed by Two-Dimensional Boron Nitride Nanoflakes in Quasi-Solid-State Polymer Electrolyte

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02169

通讯作者简介

汤沛哲教授 简介：于2009年获得兰州大学物理系理学学士学位，于2015年获得清华大学物理系博士学位，之后至2017年，在美国斯坦福大学开展博士后研究工作。2017年至2020年，在德国汉堡的马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）担任博士后。2018年，获得了欧盟委员会支持的玛丽·斯克洛多夫斯卡-居里奖学金。现任北京航空航天大学材料科学与工程学院教授，研究主要集中在拓扑材料、纳米材料和光-物质相互作用方面。在Science, Nat. Phys., Nat. Rev. Phys., Nat. Nano., Nat. Comm., Phys. Rev. Lett., Nano Lett., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等多个期刊发表论文30余篇。

宫勇吉教授 简介：现任北京航空航天大学材料科学与工程学院教授。于2011年获得北京大学化学专业理学学士学位，于2015年获得莱斯大学化学专业博士学位，于2016-2017年在斯坦福大学材料科学与工程系开展博士后研究工作。主要研究二维材料的可控合成与性能调控以及用于电子器件、能源储存与转化器件的二维异质结构与二维合金。在材料学相关领域以通讯作者或第一作者发表顶级期刊70余篇，包括Nature Synthesis, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials等。引用次数21000余次，2019-2021连续三年被评为科睿唯安全球高被引科学家。