【能源】兰州化物所张俊平团队Angew：仿神经元结构的有机硅纳米线@蒙脱石超疏水纳米填料助力宽温域复合固态电解质的离子传输- 大数跨境

【能源】兰州化物所张俊平团队Angew：仿神经元结构的有机硅纳米线@蒙脱石超疏水纳米填料助力宽温域复合固态电解质的离子传输

X-MOL资讯

2024-05-08

导读：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，借鉴神经元结构及其对信号高效传输、处理和存储的功能，开发出了具有类似神经元结构的有机硅纳米线@蒙脱石超疏水纳米填料，构建了适用于宽温域

近年来，能量型锂金属电池发展迅速，但液态电解质易导致漏液、燃烧等安全问题，严重制约了其进一步发展。采用固态电解质替代液态电解质有望解决这一问题，并提高电池的能量密度。目前，高比能、高安全、可规模化的固态锂金属电池的开发非常迫切，预计到 2030 年，全球固态锂电池需求量将接近 500 GWh，市场规模将达 3000 亿元。在诸多类型的固态电解质中，聚合物复合固态电解质兼具聚合物电解质和无机电解质的优点，是最能满足固态锂金属电池商业化的电解质体系。其中，PEO复合固态电解质具有盐溶解度高、与电极界面相容性良好和易加工等优点，极具规模化实际应用前景，但尚需突破低温下离子电导率低的技术瓶颈。

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，借鉴神经元结构及其对信号高效传输、处理和存储的功能，开发出了具有类似神经元结构的有机硅纳米线@蒙脱石（SNFs@MMT）超疏水纳米填料，构建了适用于宽温域锂金属电池的PEO基复合固态电解质（PEO/SNFs@MMT）。SNFs@MMT有效提高了 PEO 基复合固态电解质的离子电导率（4.9 × 10^-4S cm^-1，30 ℃）、锂离子迁移数（0.63）、氧化稳定性（5.3 V）和机械性能。结合分子动力学和DFT理论分析，揭示了锂离子在PEO/SNFs@MMT中的传输机制。以PEO/SNFs@MMT组装的Li/LiFePO₄ 或 Li/NCM811锂金属电池，在 50 ℃ 至 0 ℃ 的范围内展现了优异的循环稳定性和倍率性能。与已报道的填料相比，类神经元结构的SNFs@MMT具有以下优点：(i) 可在复合固态电解质中的不同方向上形成大量长程连续的离子通道，实现了快速且均匀的锂离子传输；(ii) 更易与锂盐和聚合物发生 Lewis 酸-碱相互作用，促进锂盐解离，增加了自由锂离子数量；(iii) 错综复杂的分支结构能最大限度地提高SNFs@MMT的补强效果。

图1. 类神经元结构的超疏水纳米填料的设计及制备。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

图2. 复合固态电解质中锂离子的传输机制。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这项工作为无机纳米填料的设计、合成及其在复合固态电解质中的应用提供新启发。相关研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是中国科学院兰州化学物理研究所的博士研究生王万凯，通讯作者是杨燕飞助理研究员和张俊平研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金（22305255、22275200）和甘肃省自然科学基金（22JR5RA106）的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

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

Wankai Wang, Yanfei Yang*, Jie Yang, Junping Zhang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202400091

通讯作者介绍

张俊平研究员简介

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。

https://www.x-mol.com/university/faculty/16786

杨燕飞助理研究员简介

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。

第一作者介绍

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。

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