郑时有教授AFM：少许一点水滑石，复合固体电解质中显奇功！- 大数跨境

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郑时有教授AFM：少许一点水滑石，复合固体电解质中显奇功！

科学材料站

2021-04-29

导读：该工作率先实现了PVDF-HFP基全固态锂金属电池室温下稳定循环，为推动低成本、高性能复合固体电解质的实际应用提供了一种新策略。

文章信息

少许一点水滑石，复合固体电解质显奇功！

第一作者：夏水鑫，杨斌斌

通讯作者：郑时有*，刘巍*

单位：上海理工大学（第一完成单位），上海科技大学

研究背景

全固态锂金属电池是目前的研究热点，以锂金属作负极，采用固体电解质取代传统的易燃有机电解液可大幅提升电池的能量密度同时又能够从根本上提高电池的安全性。

特别是，聚合物固体电解质具有优良的柔性，质量轻而且易于加工，具有大规模应用的前景。目前限制该类电解质实际应用的主要是其较低的室温离子电导率，较窄的电化学窗口以及力学性能不足难以有效抑制锂枝晶的生长。

通过添加无机填料制备有机-无机复合固体电解质是提高其综合电化学性能的一种最有效的途径。特别是聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯) PVDF-HFP是一类性能优异的聚合物电解质材料。

然而，目前报道的PVDF-HFP基复合固体电解质通常需要添加较多（＞10 wt%）且成本较高的LLZO、LLTO类无机填料以获得较高的离子电导率，而且通常需要高温环境或者额外的液态/半固态添加剂才能保证相应固态电池的正常运行。

文章简介

基于此，上海理工大学郑时有教授研究组与上海科技大学刘巍教授团队合作在国际顶级期刊 Advanced Functional Materials上发表题为“Ultrathin layered double hydroxide nanosheets enabling composite polymer electrolyte for all-solid-state lithium batteries at room temperature”的研究工作。

该工作研发出了一种超薄水滑石纳米片促进的PVDF-HFP基复合固体电解质材料，仅需~1 wt%的无机填料即可实现复合电解质室温锂离子电导率达2.2 × 10−4 S cm−1，锂离子迁移数为~0.78，电化学稳定窗口高达4.9 V。该工作率先实现了PVDF-HFP基全固态锂金属电池室温下稳定循环，为推动低成本、高性能复合固体电解质的实际应用提供了一种新策略。

上海理工大学青年教师夏水鑫与硕士研究生杨斌斌为共同第一作者，郑时有教授和刘巍教授为共同通讯作者，上海理工大学为第一完成单位。该工作得到国家自然科学基金委和上海市科委等项目的资助。

图1. 不同聚合物电解质中锂离子的传导机理。（a）纯PVDF-HFP电解质；（b）超薄水滑石纳米片促进的PVDF-HFP/SLN复合固体电解质

本文要点

要点一：以低成本LiAl水滑石作为无机填料，液相剥离有效提高了填料的利用率

以低成本、易获取的水滑石作为无机填充，通过对其进行剥离增大无机填料与聚合物的作用面积，有效提高了填料的利用率。仅需1 wt%的无机填料，PVDF-HFP基复合固体电解质室温离子电导率可以达到2.2 × 10-4 S cm-1。

要点二：基于PVDF-HFP基复合固体电解质实现了全固态锂金属电池室温稳定循环

基于该电解质得到的Li|LiFePO4全固态锂金属电池室温下可稳定循环，0.1 C条件下首次放电比容量可以达到155.2 mA h g-1，循环190圈容量保持率高达98.6%。同时匹配LiCoO2/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极得到的全固态锂金属电池室温下依然可以稳定循环。

要点三：DFT理论计算揭示了超薄水滑石纳米片在复合固体电解质中的作用机理

本工作通过一系列的实验表征结合DFT理论计算揭示了水滑石纳米片在电解质中的作用机理。研究表明，水滑石纳米片促进了LiTFSI的解离，同时可有效固定TFSI-，最终实现了电解质中Li+的快速迁移。

文章链接

Ultrathin layered double hydroxide nanosheets enabling composite polymer electrolyte for all-solid-state lithium batteries at room temperature

https://doi.org/10.1002/adfm.202101168

通讯作者介绍

郑时有上海理工大学教授，博士生导师，新能源材料团队负责人。

主要开展电化学储能器件、固态电池、制氢与储氢等关键材料和技术的研究与开发，迄今在国内外知名学术期刊发表论文100多篇，申请国家发明专利和PCT专利30项，以第二完成人获2018年度上海市自然科学一等奖。曾入选国家百千万人才工程（2019），被授予“有突出贡献中青年专家”，另获国务院政府特殊津贴（2020）、上海领军人才（2018）、上海市优秀学术带头人（2017）、“东方学者”（2014）等。

刘巍上海科技大学助理教授、研究员。

主要研究方向是固态离子导体材料、纳米材料及陶瓷复合材料在能源存储和环境等领域的应用，在Nat. Energy、J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Adv. Mater.等国际高影响期刊发表研究论文60余篇。担任Nat. Commun.、Joule、Nano Lett.等30多本期刊特约审稿人。

第一作者介绍

夏水鑫上海理工大学，讲师。

主要研究方向为固体电解质、高比能锂金属电池、锂硫电池等方向。在Chem，Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Adv. Sci.等期刊上共发表SCI论文30余篇，主持国家级项目3项和1项上海市科委项目。

杨斌斌，上海理工大学硕士研究生，研究方向为固态锂电池。

课题组介绍

上海理工大学郑时有教授团队现有教授1名、副教授2名和讲师2名以及硕博研究生30位。主要开展电化学储能器件、固态电池、制氢与储氢、绿色能源资源化利用等关键材料和技术的研究与开发。承担了国家、省部级项目和企业委托研究课题20余项；迄今在国内外高水平学术期刊发表论文200多篇，其中影响因子IF>10的超50篇，相关成果曾获2018年度上海市自然科学一等奖。团队与美国国家标准与技术研究院（NIST）、马里兰大学、佐治亚理工学院、新加坡南洋理工大学、日本九州大学以及国内高校院所等建立了紧密的技术交流和科研合作关系。团队师生秉承“诚信务实、精勤卓越”的理念，不忘初心、恪尽职守、团结协作、共同进步。团队成员有国家百千万人才工程“有突出贡献中青年专家”、享受国务院政府特殊津贴专家、上海领军人才、上海市优秀学术带头人、“东方学者”特聘教授、上海市青年科技启明星、青年科技英才和浦江人才计划等荣誉获得者。