粘彈性無機玻璃（VGLAS）：像聚合物的無機固體電解質！

鋼鐵俠 1周前 (10-04) 333瀏覽

【導讀】

固態電池，被普遍視為下一代顛覆性電池技術，有望解決當前液態鋰離子電池所存在的安全隱患，并顯著提升能量密度，可能會從根本上改變電動汽車、能源儲存以及移動設備等領域的格局。然而，目前該技術在界面穩定性和電池制造成本等方面仍面臨多重制約。例如，盡管有機聚合物固態電池在界面力學穩定性方面表現優越，但其界面化學穩定性較差，無法與高電壓正極兼容，從而限制了其能量密度。同時，目前最接近商業化的無機硫化物固態電池除了制造成本較高外，還需要施加至少幾十個大氣壓力才能實際運行，這使得其商業化進程困難重重。因此，探索一種能夠克服這些挑戰的新型電解質材料變得尤為重要。

【成果掠影】

近日，中科院物理研究所在固態電池領域取得了重大突破，他們在能源領域頂級期刊《nature energy》中發表了一項關于新型粘彈性無機玻璃（VIGLAS）固體電解質的研究成果。代濤博士為本文第一作者，胡勇勝研究員，陸雅翔副研究員和趙君梅研究員為本文共同通訊作者。

【核心創新點】

該團隊通過將四氯鋁酸鹽（LiAlCl4和NaAlCl4）中的部分氯原子替換為氧原子，成功將室溫下易碎的熔鹽轉化為具備類似于有機聚合物變形能力的粘彈性玻璃（LiAlCl2.5O0.75, LACO 和 NaAlCl2.5O0.75, NACO），這種材料在室溫下可以實現多次彎曲和折疊。

另一方面，研究團隊還揭示了這類無機玻璃形成機理和離子傳導機制。首先，這類VIGLAS具有低于室溫的玻璃化轉變溫度（Tg），因此其在室溫下具有類似聚合物的粘彈性。而如此低的Tg源于其平衡的氧/氯比，氧橋充當玻璃網絡編織者，確保適當大小的Al-O-Al網絡，限制了凝結過程中的原子重新排列；此外，微量的尚未和氧配位的LixAlCl3+x可作為“增塑劑”，也有助于降低其Tg。在離子導電性方面，氧橋的存在一方面縮短了Li-Li之間的距離，從而促進了Li+的跳躍；另一方面，這類VIGLAS電解質還存在類似于PEO聚合物電解質的鏈段運動，而這種Al-O-Al鏈段運動也促進了附近的Li+離子集體遷移。

更為重要的是，這類固態電解質材料不僅具備有機聚合物優秀的變形能力，還繼承了傳統無機電解質的特點，如耐受高電壓（4.3V）和高離子電導率（>1 mS/cm）。這一優勢成功解決了固態電池正極界面在力學和化學上的穩定性難題，首次實現了真正室溫下無需外界壓力（< 0.1 MPa）即可正常運行的無機全固態鋰/鈉電池。

然而，固態電池商業化進程面臨高昂的制造成本和復雜的制造工藝等挑戰。這項研究也提供了一個理想的解決方案：首先，這種新型固態電解質材料的制造成本極低，其核心成分為地殼豐富的鋁元素，其材料成本僅為每千克6.85美元（LACO）和1.95美元（NACO），分別僅為目前主流LiPSCl固態電解質（每千克319美元）成本的2%和0.6%。其次，由于這類固態電解質材料的熔點低于160攝氏度，因此在適當的加熱條件下，可以像液體一樣浸潤多孔電極，實現超過20 mg/cm2的商業正極載量。同時，這類材料還具備類似有機聚合物的延展性，可以通過輥壓等方法制備大面積的電解質薄膜。這些特點使得這種新型固態電解質材料在材料和制造成本方面具備極強的競爭力，成為解決無壓力運行全固態電池正極問題的理想選擇。

【數據概覽】

圖 1 LACO和NACO電解質的力學特性和離子電導率

圖 2 LACO電解質中存在的兩種離子電導機理

圖 3 無額外壓力的Li和Na基全固態電池循環性能

圖 4 LACO和NACO電解質的成本和可加工性

【成果啟示】

此工作顛覆了以往人們對無機固體電解質難以具備有機聚合物電解質機械性能的認知，這有望徹底解決無機電解質的機械不穩定性問題，實現無需外界壓力的固態電池，且為新型固態電解質的研發開辟了全新的道路。

文章信息：

Dai T, Wu S, Lu Y, Yang Y, Liu Y, Chang C, Rong X, Xiao R, Zhao J, Liu Y, Wang W. Inorganic glass electrolytes with polymer-like viscoelasticity. Nature Energy. 2023 Sep 28:1-8.

文章鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41560-023-01356-y

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