潘锋/杨卢奕团队突破高性能全固态锂电池研发

潘锋/杨卢奕团队在全固态锂电池研发方面取得重大突破，成功设计出基于一维ZrCl4基质的玻璃态氯化物电解质，显著提升了锂离子的传输效率。该电解质不仅具有高达1.2 mS/cm的离子电导率和宽广的电化学窗口，还有效防止了锂枝晶的生成，实现了电池的长期稳定运行。研究成果发表于《先进能源材料》期刊，为新型固态电解质的开发提供了创新思路和通用解决方案。

全固态锂电池因其卓越的性能，被视为未来高性能储能和动力电池的重要发展方向。为了推动这一领域的发展，设计出具备优良离子传输能力、宽广电化学窗口以及有效防止锂枝晶生成和电池短路的固态电解质显得尤为关键。理想的固态电解质应当能够让锂离子（Li+）的传输效率尽可能接近甚至超越传统液态电解质。聚合物电解质（例如聚环氧乙烷，PEO）虽然在离子传输方面表现出了类似液体的特性，但由于链段运动迟缓，其离子电导率和迁移数均偏低。相比之下，无机晶体电解质尽管支持较快的离子传输和较高的迁移数，但其与电极间的界面接触质量较差，并且受到晶格周期性的制约，离子传输也受到一定限制。

北京大学深圳研究生院新材料学院的潘锋团队，在2016年至2019年间成功完成了“材料基因工程研发全固态锂电池及关键材料”的国家重点研发项目。在此过程中，他们提出了固态锂电池界面“纳米润湿”（Nano-wetting）的新概念，并揭示了固态锂电池短路现象背后是由锂枝晶在晶界瞬间生长引发的机制。从基础理论上来看，彻底解决晶界锂枝晶生长问题的最佳途径就是采用没有晶界的材料——即玻璃态材料。然而，普通玻璃态材料由于其长程无序性特征，往往会对离子传输造成不利影响。潘锋团队基于锂电池材料基因的研究成果，发现了上百种一维方向存在化学键连接而其他两个维度方向缺乏化学键连接的独特“一维材料”，这些材料类似于石墨烯，可以通过类似的方式不断分离得到。氯化物晶体电解质因其各向同性及高锂离子电导率的特点，被认为是实现Li+自由高效传输的理想选择。潘锋团队通过分析材料基因大数据，筛选出具备“一维材料”结构特性的氯化物，进一步预测出这类材料能够促进Li+沿一维通道快速移动，并通过调整其结构使其转变为玻璃态体系，从而从根本上消除晶界与锂枝晶的问题，为开发新型固态电解质提供了新思路。

一维ZrCl4基质中锂盐解离机理与离子传输模式

依据上述理论推测与材料设计，潘锋团队利用拥有类似无机聚合物链状结构的一维ZrCl4基质实现了多种锂盐（包括LiCl、Li2SO4和Li3PO4）的有效解离，成功制备了一系列玻璃态氯化物电解质。通过差示扫描量热法（DSC）、原子对分布函数（PDF）、固态核磁共振（ssNMR）以及聚焦离子束-透射电子显微镜（FIB-TEM）等多种技术手段，确认了所制备电解质确实具有玻璃态属性，并运用分子动力学模拟（MD）验证了其独特的离子传输机制。研究显示，解离后的Li+会与[ZrCl6]八面体配位，并沿ZrCl4链（由[ZrCl6]单元共边连接形成）迅速移动，展现出类似聚合物的离子传输特性。此外，ZrCl4表现出的路易斯酸性还能捕捉阴离子，使得锂离子迁移数接近1。得益于这种特殊的离子传输方式及阴离子化学作用，1/3Li3PO4@ZrCl4电解质不仅拥有高达1.2mS/cm的离子电导率、宽广的电化学窗口和较低的成本，还能够在LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2||Li-In电池中实现长期稳定运行。同样的设计理念也可以应用于钠离子导体的制造，所制备的1/3Na3PO4@ZrCl4同样达到了0.3 mS/cm的高离子电导率。这类ZrCl4基电解质展示了前所未有的离子传导机制，为开发新型固态电解质提供了通用解决方案。该研究成果以“1D ZrCl4 Matrices for Enhanced Ion Transport in Glassy Chloride Electrolytes”为标题发表于《先进能源材料》期刊上（Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.202500913，影响因子25）。

这项工作是在潘锋教授和杨卢奕副研究员的共同指导下完成的，北京大学深圳研究生院的博士后宋永利（现任江苏大学资格教授）、博士毕业生薛诗达以及硕士生徐梓晋共同担任该论文的第一作者。该项目得到了国家自然科学基金、电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心、广东省新能源材料设计与计算重点实验室以及深圳市新能源材料基因组制备和检测重点实验室的支持。

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