鋰空氣電池具有超高的理論能量密度，被譽(yù)為革命性電池技術(shù)。其中，固態(tài)鋰空氣電池較傳統(tǒng)的液態(tài)鋰空氣電池具有更高的安全性和穩(wěn)定性。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的關(guān)鍵材料。適用于固態(tài)鋰空氣電池的固態(tài)電解質(zhì)，除滿足高離子電導(dǎo)率和良好的界面相容性外，還應(yīng)滿足：對(duì)空氣成分穩(wěn)定，使電池能夠在空氣中運(yùn)行；抗氧化能力強(qiáng)，以抵抗電池運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的具有強(qiáng)氧化能力的氧還原中間體的腐蝕。而常見的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料，如石榴石、鈣鈦礦、NASICON和硫化物等由于對(duì)環(huán)境空氣成分或金屬鋰負(fù)極不穩(wěn)定，不能滿足固態(tài)鋰空氣電池實(shí)際運(yùn)行的要求。更嚴(yán)重的是，常用固態(tài)電解質(zhì)較高的電子電導(dǎo)率使金屬鋰易在電解質(zhì)內(nèi)部成核和生長(zhǎng)，導(dǎo)致電池短路進(jìn)而引發(fā)安全事故。兼具高穩(wěn)定性和高環(huán)境適應(yīng)性的固態(tài)電解質(zhì)材料的缺乏嚴(yán)重制約了固態(tài)鋰空氣電池的發(fā)展和應(yīng)用。

吉林大學(xué)于吉紅院士研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研制了一種基于分子篩薄膜的全新固態(tài)電解質(zhì)材料，該電解質(zhì)展現(xiàn)出高達(dá)2.7×10^?4S cm^?1的離子電導(dǎo)率、低至1.5×10^?10S cm^?1的電子電導(dǎo)率、以及對(duì)空氣成分和鋰負(fù)極的高度穩(wěn)定性，有效解決了傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)材料的界面構(gòu)建困難、內(nèi)部鋰枝晶和穩(wěn)定性差等問(wèn)題，并通過(guò)原位生長(zhǎng)策略設(shè)計(jì)構(gòu)建了一體化柔性固態(tài)鋰空氣電池（圖1a）。得益于良好的“電解質(zhì)-電極”低阻抗接觸界面（圖1b），該電池在實(shí)際空氣環(huán)境中展現(xiàn)出12020 mAh g^?1的超高容量和149次的超長(zhǎng)循環(huán)壽命（500 mA g^?1和1000 mAh g^?1），遠(yuǎn)優(yōu)于基于當(dāng)前最穩(wěn)定的NASICON型LAGP固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)鋰空氣電池（12次），甚至優(yōu)于同等條件下使用有機(jī)電解液的鋰空氣電池（102次）（圖1c）。同時(shí)，該電池展現(xiàn)出優(yōu)異的柔性、高的安全性和良好的環(huán)境適應(yīng)性（圖1d-f），并兼顧環(huán)境友好、成本低廉、工藝簡(jiǎn)單的生產(chǎn)需求。分子篩固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用還有望拓展到鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池、鈉空氣電池等固態(tài)儲(chǔ)能體系，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。新型分子篩固態(tài)電解質(zhì)的成功研制，為固態(tài)電解質(zhì)材料和固態(tài)儲(chǔ)能器件的發(fā)展提供了新思路。

圖1：a，分子篩基固態(tài)鋰空氣電池一體化設(shè)計(jì)。b，分子篩固態(tài)電解質(zhì)-碳納米管正極一體化結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖和透射電鏡圖。c，基于有機(jī)電解液、商用LAGP和分子篩固態(tài)電解質(zhì)的鋰空氣電池的循環(huán)壽命對(duì)比。d，厚度僅為0.33mm的固態(tài)鋰空氣電池的光學(xué)照片。e，固態(tài)鋰空氣電池的柔性。f，固態(tài)鋰空氣電池的安全性和環(huán)境適應(yīng)性。

這一研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、111項(xiàng)目等支持。吉林大學(xué)為論文唯一完成單位。吉林大學(xué)于吉紅教授和徐吉靜教授為論文的共同通訊作者，吉林大學(xué)在讀博士研究生遲茜文為論文第一作者。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03410-9

來(lái)源：吉林大學(xué)

相關(guān)進(jìn)展

吉大教授于吉紅院士當(dāng)選國(guó)際著名化學(xué)類期刊JACS執(zhí)行主編

2017年度IUPAC化學(xué)化工杰出女性獎(jiǎng)?lì)C發(fā) 于吉紅院士和遲力峰教授獲獎(jiǎng)

于吉紅院士和遲力峰教授獲IUPAC化學(xué)化工杰出女性獎(jiǎng)