成会明院士、彭晶副研究员， ACS Nano综述：二维材料在全固态电解质中的应用现状与展望

第一作者：兰雪侠

通讯作者：彭晶*，成会明*

单位：中科院深圳先进技术研究院碳中和所，深圳理工大学材料科学与能源工程学院

用固态电解质取代传统锂离子电池中的液体电解质和隔膜是保证高能量密度和高安全性的重要策略，寻找具有高稳定性的快Li⁺导体材料已成为近年来的研究热点。基于独特的原子级厚度和可无限扩展的平面结构，许多二维材料已被开发和应用于解决固态电解质中的离子电导率低和锂枝晶生长这两大关键问题。

近日，来自中科院深圳先进技术研究院、深圳理工大学的成会明院士和彭晶副研究员团队，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Status and Prospect of Two-Dimensional Materials in Electrolytes for All-Solid-State Lithium Batteries”的综述文章。该综述文章介绍了现在常用的二维材料在固态电解质中的研究进展，总结了二维材料提高固态电解质的离子电导率、机械性能、增强电极/电解质界面相容性的机制和策略，最后总结了二维材料在固态电解质应用中的主要挑战和未来方向。

从具有高柔韧性和良好电极/电解质界面相容性的无机薄膜固态电解质，到可作为惰性填料的二维材料，再到可作为活性填料的二维材料，该综述文章总结了不同二维固态电解质材料的制备方法、电学特性、机械性能和稳定性。

固态电解质应当具有优异的离子电导率、高的Li+转移数，宽的电化学稳定窗口，良好的机械强度和柔韧性，高的热稳定性以及电极/电解质界面相容性。当使用纯的二维Li⁺导体材料作为固态电解质时，通常不容易满足上述要求。一方面，由于各向异性，Li⁺在二维材料上的传导方向与成膜方向不匹配，导致离子电导率显著降低。另一方面，当二维材料垂直于正极和负极排列时，机械性能和与电极之间的接触性将会下降。设计含有二维填料的复合固态电解质有利于实现电学性能和机械性能之间的良好平衡。该综述文章详细讨论了二维填料对固态电解质各项性能的影响机制。

应用于固态电解质中的二维材料可分为不能传输Li+的惰性填料和能够独立传输Li+的活性填料。其中，二维惰性填料可通过降低聚合物基体的结晶度、促进Li⁺迁移来提高固态电解质的离子电导率。二维活性填料可通过构建或提供额外的连续Li⁺传输通道来提高离子电导率。另外，二维材料在屏蔽锂枝晶、增强界面相容性和化学稳定性方面也有重要作用。该综述文章全面总结了二维材料在固态电解质中的应用和设计策略方面的最新进展。

与传统无机固态电解质材料相比，二维电解质材料的开发和应用仍处于初级阶段。例如，目前能够独立传输Li⁺的二维材料类型十分有限。二维材料在固态电解质中的实际应用也存在较多关键问题。因此，需要开发更多具有高离子电导率的新型二维材料并优化他们在固态电解质中的设计策略，从而增强离子电导率和降低电极/电解质界面电阻。此外，电极/电解质界面上的副反应以及二维材料对锂枝晶的抑制作用也需要进一步明确。然而，关于上述问题的研究还比较有限，借助于先进的原位电化学表征技术将有利于揭示上述复杂和模糊的界面反应。

Status and Prospect of Two-Dimensional Materials in Electrolytes for All-Solid-State Lithium Batteries

成会明简介：国际知名碳材料科学家、中科院院士、发展中国家科学院院士。现任深圳理工大学材料科学与工程学院名誉院长、中科院深圳先进院碳中和技术研究所所长，中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部主任,清华大学深圳国际研究生院杰出客座教授。主要从事碳纳米管、石墨烯、能量转换和储存材料等研究，已获得发明专利150多项，以石墨烯、六方氮化硼和电池材料等技术发起成立了多家高技术公司。在国内外学术会议上做特邀报告190多次，发表论文850余篇（h因子168，被引用超14万次），是化学和材料两个领域国际高被引科学家，相关成果获国家自然科学二等奖3项、国防科技进步二等奖1项，并获得了何梁何利科学与技术进步奖、美国Charles E. Pettinos奖、德国Felcht奖、美国ACS Nano讲座奖等奖励。曾任《Carbon》（碳）副主编、《新型炭材料》主编，现任《Energy Storage Materials》（储能材料）创刊主编、《Science China Materials》（中国科学-材料）副主编。

彭晶简介：中科院深圳先进技术研究院副研究员/中科院深圳理工大学助理教授，广东省杰出青年基金获得者。先后在中国科学技术大学获得本科和博士学位，师从吴长征教授和谢毅院士。2021年7月加入深圳理工大学材料与工程学院和中科院深圳先进技术研究院碳中和所。主要从事二维材料与电化学性能研究，近五年以第一/通讯作者文章十余篇，包括Nat. Chem.、Natl. Sci. Rev.、Nat. Commun.、JACS、Angew、Adv. Mater.等国际知名期刊。主持国家自然科学基金面上项目和青年基金，广东省杰出青年基金和深圳市面上项目等。曾获得中国科学院院长特别奖和“博新”计划资助。团队长期招聘电化学储能与催化材料开发与器件设计方向的博士后与科研助理，有意者请联系jing.peng@siat.ac.cn。

兰雪侠：2022年博士毕业于华南理工大学，2023年进入中国科学院深圳先进技术研究院从事博士后研究工作，合作导师为成会明院士和彭晶副研究员。主要研究方向为锂电池材料、二维材料及先进原位表征技术。近五年以第一作者在Adv. Mater., Small, Small Methods, ACS Nano, J. Energy Chem., J. Power Sources, Mater. Chem. Front.和 Rare Metals等知名SCI期刊上发表论文8篇，申请发明专利2项。2023年获得中国博士后科学基金第8批博士后创新人才支持计划资助、中国博士后科学基金第73批面上资助、国家自然科学基金-青年项目资助、中国科学院特别研究助理项目。2023年获得中国材料研究学会科学技术奖。

目前，碳中和所已建立广东省高效低成本储能器件工程中心、广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队、深圳市高效低成本器件关键技术研发团队等3个“碳中和”相关的重点实验室和工程中心。同时，与华为、比亚迪、zte中兴、中芯国际、创维、恩捷股份、华星光电、久森新能源、爱玛科技等龙头和重要碳中和相关企业，以及香港城市大学、香港理工大学、英国圣安德鲁斯大学、澳大利亚格里菲斯大学、泰国同步辐射光源研究所、日本国立长冈技术科学大学、华中科技大学、清华大学深圳国际研究生院等国际国内科研院所建立了良好的合作关系。未来，将进一步拓展同国内外重要碳中和相关企业和科研院所的合作范围，将形成科研平台、产业联盟、产业投资基金、孵化与合作企业等四位一体的碳中和研究与产业运营管理机制，从产学研等多角度同时推进，力争实现以创新颠覆性碳中和技术，推动系统性、变革性的能源革命，带动深圳在低碳能源转化与储存领域建成世界研发高地，助力深圳乃至我国实现碳中和的目标。

碳中和所将积极面向全球引进各类人才，建立能源转换、氢能、燃料电池、先进储能技术、低维能源材料、二氧化碳转化、二氧化碳遥感监测、城市智慧能源、碳中和经济与城市等研究中心。目前，碳中和所（筹）已有各类人员60余人，首批设立两个研究单元：低维能源材料研究中心，英文名称：Low-dimensional energy materials research center，简称能源材料中心，成会明同志任中心主任（兼）；先进储能技术研究中心，英文名称：Advanced energy storage technology research center，简称储能中心，唐永炳同志任中心主任。未来3-5年还将建成立10余个中心，人员规模达到500-800人，基本涵盖碳中和相关技术领域。