圖1：a，分子篩基固態(tài)鋰空氣電池一體化設計。b，分子篩固態(tài)電解質-碳納米管正極一體化結構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)境適應性。

 

       日前，吉林大學化學學院、無機合成與制備化學國家重點實驗室、未來科學國際合作聯(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。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)電解質是固態(tài)電池的關鍵材料。適用于固態(tài)鋰空氣電池的固態(tài)電解質，除滿足高離子電導率和良好的界面相容性外，還應滿足：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)電解質較高的電子電導率使金屬鋰易在電解質內(nèi)部成核和生長，導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)境適應性的固態(tài)電解質材料的缺乏嚴重制約了固態(tài)鋰空氣電池的發(fā)展和應用。

 

       吉林大學于吉紅院士研究團隊設計研制了一種基于分子篩薄膜的全新固態(tài)電解質材料，該電解質展現(xiàn)出高達2.7×10−4S cm−1的離子電導率、低至1.5×10−10S cm−1的電子電導率、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)電解質材料的界面構建困難、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計構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-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)電解質的應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)出廣闊的應用前景。新型分子篩固態(tài)電解質的成功研制，為固態(tài)電解質材料和固態(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基金、111項目等支持。吉林大學為論文唯一完成單位。吉林大學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