離子液體不忘初心，鋰電池上再放光輝！

最新 08-15

標簽：學科前沿

關鍵詞：離子液體類固態電解質金屬有機框架

話說那風雲變化的二十世紀六十年代，有一學者喚作Hurley。為了找到傳說中能夠代替熱電池中電解質的低熔點熔鹽，Hurley於歲月長河隱秘之地解封了被時間封印了四十餘載的離子液體，獲得一物質，喚作N-乙基吡啶溴化物氯鋁酸鹽離子液體。此後數年，Hurley悉心鑽研離子液體，對那物化性質進行多種表徵，雖未在江湖上掀起多大波瀾，但卻在有心人埋下了一顆種子。至於那種子萌發出何物，暫且不表，只那Hurley一事，被後世英豪視作離子液體系統研究之濫觴。

歲月流轉，轉眼已是二十一世紀，這是一個繁忙的世紀，人流，信息流在空間里不停地快速穿梭，唯有水流不急不躁，一如她曾經歷地過的億萬年。

人流、信息流都有其載體——交通工具、通信設備。驅動需要能源，能源需要載體，電池是一種優秀的能源載體，而鋰電池更是其中佼佼者。但是同理想的鋰電池相比，以往的鋰電池都有其不可忽視的缺點，比如容易泄漏和爆炸的液體電解質、鋰枝晶的生長等等。而近期發展的一類固態電池(SSB)有望成為一種更加安全的能量載體，但是這種更加安全的鋰電池有一個無法忽略的問題：在SSB的電極材料和固態電解質界面上，鋰離子的遷移率過低，這使得SSB的界面電阻增大，從而影響了其能量密度及有效負載。面對這個棘手的問題，研究人員該何去何從？

2017年，北京大學的Ziqi Wang等人在Adv. Mater.上發表了一篇Communication，提出用離子液體-金屬有機框架複合材料作為SSB的電解質（稱為類固態電解質SLE），有效解決了上述問題。

圖1.電池及微觀結構示意圖

（圖片來源：Adv. Mater.）

研究人員選擇了MOF-525 (Cu)作為MOF主體材料，這種MOF具有高度多空的開放框架結構，孔徑約為7-12 ?。對於離子液體客體材料，研究人員選擇了[EMIM0.8Li0.2][TFSI],這種離子液體電導率高，不揮發不可燃，同時具有粘度低及適宜的電化學窗口等優點，常用於鋰離子電池。理論計算表明，[EMIM]+和[TFSI]-的尺寸分別為7.9和7.6 ?，這個尺寸使得Li-IL離子能夠通過MOF主體的孔道，同時又在一定程度上限制了[EMIM]+和[TFSI]-的遷移，這就使得鋰離子的遷移數得到提高。然而，MOF-525 (Cu)是一種絕緣材料，在與電極接觸的界面上存在較大的接觸電阻，但當離子液體附著於孔道內後，得益於高離子電導率及納米界面潤濕效應，鋰離子遷移數大大提高。在LiFePO4 (LFP)負載率高達25 mg/cm2，陰極厚度210 μm的條件下，Li｜Li-IL@MOF｜LFP電池表現出了極其優異的電化學性能，比如高達0.36的鋰離子遷移數，-20-150 ℃的工作區間。