锂离子电池广泛应用于我们的日常生活，然而，传统的锂电池含有大量有机液体电解质，存在着起火甚至爆炸的安全隐患，而且能量密度低，难以满足航空航天、新能源汽车等新兴战略产业的要求。采用固态电解质取代有机电解液而发展起来的固态电池，是一种新型储能技术，有望解决传统锂电池的安全性问题，并提高电池能量密度，得到国内外的广泛关注。作为固态电池的核心材料，发展兼具室温离子电导率高、离子迁移数大、与金属负极以及高压正极相容性好的固态电解质材料，极具挑战。
近日，重庆大学航空航天学院宋树丰副教授与河北工业大学胡宁教授团队，围绕固态储能电池，开展了固态锂电解质和固态钠电解质的材料设计研究，相关研究成果以“Enabling High-Voltage “Superconcentrated Ionogel-inCeramic” Hybrid Electrolyte with Ultrahigh Ionic Conductivity and Single Li+-Ion Transference Number”为题发表在Advanced Materials上（Adv. Mater. 2022, 2205560）、以“A hybrid solid electrolyte for high-energy solid-state sodium metal batteries”为题发表在Applied Physics Letters上（Appl. Phys. Lett. 2022, 120, 253902）。论文第一作者为航空航天学院博士研究生翟艳芳，通讯作者为宋树丰副教授和胡宁教授，论文合作者包括厦门大学杨勇教授、重庆大学材料学院王中霆博士、中科院上海硅酸盐研究所温兆银研究员、湖南大学梁宵教授、泰国国立法政大学Peerasak Paoprasert教授等。
该研究中，研究团队通过原位热引发自由基聚合反应，设计发展了一种“Superconcentrated Ionogel–in–Ceramic”（SIC）固态电解质材料（3M LiTFSI-EmimFSI-PMMA-50wt%Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12）。通过高浓度离子凝胶电解质链接高含量纳米石榴石电解质，形成了一种高压单离子导电的“超浓缩陶瓷离子凝胶”(SIC)新型电解质。该电解质兼具超高的室温锂离子电导率（1.33×10-3 S/cm）、锂离子迁移数、宽的电化学窗口，匹配LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和LiFePO4 的固态电池表现出优异的循环稳定性（1C倍率稳定循环300周）。
钠资源储量丰富、成本低、氧化还原电位低，钠离子电池的研究始终备受关注。与锂离子电池相似，采用液体电解质的钠离子电池也存在枝晶生长、电解液易燃等安全性问题，因此，钠离子固态电解质取代液体电解质成为制造高安全、高能量密度钠金属电池的一个有吸引力的解决方案。基于此，研究团队提出了一种原位杂化策略，通过经典的非水解溶胶-凝胶法，将离子液体固化在纳米二氧化硅骨架内（EmimFSI@SiO2 ionogel），然后与聚合物PEO和无机Na3Zr2Si2PO12原位复合，形成了自支撑的钠离子杂化固态电解质，室温离子电导率高达1.5×10-3 S/cm、电化学窗口达5.4 V vs. Na/Na+，解决了PEO基聚合物电解质离子电导率低、力学特性差、电化学稳定窗口窄的难题。
研究工作得到了国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项、天津市科技计划等项目的资助和支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.20220556；https://doi.org/10.1063/5.0095923。
图1 (a)自由基聚合反应. (b) SIC电解质的设计示意图. (c) SIC电解质与商用PP电池隔膜的耐热性比较.
图2 (a) LiFePO4固态电池的容量-电压曲线. (b) LiFePO4固态电池的循环. (c) LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2固态电池的容量-电压曲线. (d) LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2固态电池的循环. (e) SIC/NCM523界面SEM图.
图3 钠离子杂化固态电解质设计及照片.
（作者、图片：宋树丰团队 编辑：尹瑞森）
