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圖1.（左）離子液晶型固體電解質示意圖，（右）離子塑晶固體電解質示意圖

圖2.離子塑晶固體電解質在不同溫度條件下的性狀

鋰離子電池（LIBs）是當今最重要的儲能及供能器件，其已被廣泛應用于日常生活的方方面面，如智能手機、數碼相機、筆記本電腦、電動汽車等領域。正極、負極和電解質是LIBs的三大核心組件，但自日本SONY公司于1991年將LIBs成功商業(yè)化以來，LIBs的電解液至今仍采用傳統(tǒng)的液體電解液。這意味著，目前LIBs在電解質的制備過程中，不可避免地會使用具有揮發(fā)性和易燃性的小分子電解液（如碳酸丙烯酯PC、碳酸二乙酯 DEC等)），致使LIBs在使用過程中容易產生起火，爆炸等安全事故，研發(fā)一種在室溫條件下具有高離子電導率的固態(tài)電解質成為解決該問題的有效手段之一。遺憾的是，傳統(tǒng)固態(tài)電解質（包括固體聚合物電解質、無機氧化物、硫化物及鹵化物電解質和復合固體電解質）存在室溫離子電導率較低（10^-8—10^-5 S cm^-1）或與電極間的界面阻抗較大的問題，不能滿足LIBs的實際使用要求。因此，開發(fā)一種具有室溫高離子電導率、高電化學穩(wěn)定性、柔性、制備條件相對溫和的固態(tài)鋰離子電解質迫在眉睫。

圖3.所開發(fā)離子液晶及離子塑晶聚合物固體電解質的空間結構示意圖

基于此，在課題組前期工作基礎及量子力學補償阿倫尼烏斯方程（QCA）（Electrochimica Acta, 2019，294，249-259；Journal of Power sources, 2019，444，227305；Journal of Polymer Science, 2020,58,3480-3487等）的理論指導下，王繼亮、包黎霞課題組通過分子設計及計算機模擬，成功制備了一系列具有高度空間有序結構的低活化能離子液晶或離子塑晶聚合物固體電解質（如圖1-圖3所示），所得固體電解質的室溫離子電導率可達10^-3 S cm^-1數量級，可滿足LIBs的實際使用需求。同時，得益于巧妙的分子設計，所開發(fā)離子液晶或離子塑晶聚合物固體電解質具有優(yōu)異的柔韌性和抑制鋰枝晶生長的能力，電解質在不同電流密度下，循環(huán)充放電500小時無鋰枝晶生長，無短路現象（如圖4所示）。

圖4. 離子塑晶聚合物固體電解質的500小時充放電循及電子探針顯微鏡測試結果

相關研究結論以“Organic fast ion-conductor with ordered Li-ion conductive nano-pathways and high ionic conductivity for electrochemical energy storage”（2022，66，647-656， https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.09.011）和“Poly(carbonate)-based ionic plastic crystal fast ion-conductor for solid-state rechargeable lithium batteries”（in press）為題發(fā)表于本領域的國際知名期刊Journal of Energy Chemistry（化學1區(qū)Top，即時IF=13.25）。論文投出就得到審稿人的充分認可，其一致認為本研究可為高性能全固態(tài)鋰離子電池的開發(fā)提供新的策略。論文第一作者為高分子化學與物理專業(yè)2019級碩士研究生楊一濱、周賀及謝佳穎（共同一作）。

上述工作得到國家自然科學基金、云南省科技廳“重大科技專項”、云南省“千人”計劃、云南省“萬人”計劃、云南省基礎研究計劃和云南大學研究生創(chuàng)新研究計劃的資助。