圖1：a，分子篩基固態(tài)鋰空氣電池一體化設(shè)計。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。

 

       日前，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院、無機合成與制備化學(xué)國家重點實驗室、未來科學(xué)國際合作聯(lián)合實驗室于吉紅院士研究團隊在新型固態(tài)電解質(zhì)及固態(tài)電池研發(fā)方面取得重要進展，該研究成果以“A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery”（基于分子篩電解質(zhì)高穩(wěn)定柔性固態(tài)鋰空氣電池）為題發(fā)表在《自然》上（Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03410-9）。

 

       鋰空氣電池具有超高的理論能量密度，被譽為革命性電池技術(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：對空氣成分穩(wěn)定，使電池能夠在空氣中運行；抗氧化能力強，以抵抗電池運行過程中產(chǎn)生的具有強氧化能力的氧還原中間體的腐蝕。而常見的無機固態(tài)電解質(zhì)材料，如石榴石、鈣鈦礦、NASICON和硫化物等由于對環(huán)境空氣成分或金屬鋰負極不穩(wěn)定，不能滿足固態(tài)鋰空氣電池實際運行的要求。更嚴重的是，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，導(dǎo)致電池短路進而引發(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)于吉紅院士研究團隊設(shè)計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、以及對空氣成分和鋰負極的高度穩(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)定性差等問題，并通過原位生長策略設(shè)計構(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次的超長循環(huán)壽命（500 mA g−1和1000 mAh g−1），遠優(yōu)于基于當前最穩(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電解液的鋰空氣電池（102次）（圖1c）。同時，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)儲能器件的發(fā)展提供了新思路。

 

       這一研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、111項目等支持。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