崔屹教授：有序排列陶瓷纳米线显著增强复合聚合物电解质离子电导率

【引言】

由于人们对高性能、安全和经济的能量储存方式的需求不断增长，因此大量工作投入到了改进当今可充电锂离子电池（LIB）和开发新材料。与传统液体电解质具有易泄漏、易燃和化学稳定性差的问题相比，固体锂离子电解质具有很大且稳定的电化学窗口，提高了安全性。此外，固体电解质提供最有望抑制锂金属枝晶的方法之一，以实现研究人员对高能锂金属电池的“梦想”。然而，固体锂离子电解质由于其有限的离子电导率将导致较低的容量利用率和电池性能的劣化，这仍然是该材料面临的主要挑战。

【成果简介】

在含有聚合物和锂盐的固体聚合物电解质中，无机纳米粒子通常用作填料以改善电化学性能，结构稳定性和机械强度。然而，这种复合聚合物电解质通常具有低离子导电性。北京时间2017年4月4日，斯坦福大学崔屹教授课题组在NatureEnergy上发表一篇题为“Enhancing ionic conductivity in composite polymer electrolytes with well-aligned ceramic nanowires”的文章，报道了具有有序排列的无机Li+导电纳米线的复合聚合物电解质在30℃下表现出6.05×10-5Scm-1的离子电导率，其比先前的随机取向的聚合物电解质高一个数量级。纳米线导电性增强归因于快速的离子传导路径，而在有序排列的纳米线的表面上没有交叉接合。此外，通过使用纳米线也可以改善聚合物电解质的长期结构稳定性。

【图文导读】

图一：可能的锂离子传导途径的比较。

a-c，具有（a）纳米颗粒，（b）随机纳米线和（c）排列有序的纳米线的复合聚合物电解质中的锂离子传导途径。与分离的纳米颗粒相比，随机纳米线可以为Li离子提供更连续的快速传导通路。与随机纳米线相比，排列有序的纳米线不含交叉点。d，无机纳米粒子（NPs）和纳米线（NW）的表面区域作为锂离子传导的高速通道。

图二：具有有序排列纳米线的复合聚合物电解质的合成方法和形态。

a，具有取向的纳米线的复合聚合物电解质的合成方法，以及用于直流阻抗光谱测量的电极结构的说明。三个具有Pt电极的石英衬底在静电纺丝期间在旋转的鼓收集器上以不同的取向放置。b，叉指型的Pt电极。c，在800℃下煅烧的LLTO纳米线的TEM图像。d-f，取向为（d）0°，（e）45°和（f）90°的纳米线的SEM图像。图d中的插图是有序排列的纳米线的高倍放大的SEM图像。

图三：具有陶瓷纳米线的复合聚合物电解质的电导率结果。

a，取向0°纳米线复合聚合物电解质在各种温度下测量的阻抗谱的实验值和拟合值（实线）。插图为等效电路。b，具有各种取向的有序排列的纳米线阵列的复合聚合物电解质的的阿仑尼乌斯图，以及具有随机分散的纳米线和无填料的电解质的复合电解质的数据。c，在10mV的施加电压下，Li/sample/Li的构型的极化期间的电流随时间的变化；插图表现了极化前后的阻抗谱。d，在40℃下测量的具有有序排列的纳米线的复合聚合物电解质，具有随机纳米线的复合电解质和无填料的电解质的复合聚合物电解质的阻抗虚部的代表性曲线作为logf（德拜图）的函数和拟合曲线，垂线表示德拜峰的位置。

图四：具有有序排列的纳米线的复合聚合物电解质的模拟分析。

a，具有有序排列的纳米线（取向角为0°）的复合聚合物电解质的电流密度模型。b，复合聚合物电解质的电导率与角度，显示了模拟的和实验结果的数据。

【总结】

在这项研究中，具有有序排列的Li+导电纳米线的固体复合聚合物电解质显示出非常高的离子电导率。与随机分散的纳米线相比，有序排列的纳米线（30℃下表现出6.05×10-5Scm-1）可以实现10倍的导电性的提升。纳米线的表面电导率被推导为具有~1.26×10-2Scm-1（30℃），接近液体电解质中的离子传导率。电导率的改善是由于在纳米线表面上没有交叉的快速离子传导路径。此外，通过添加纳米线，提高了聚合物电解质的长期导电的稳定性。具有取向纳米线的复合聚合物电解质的发展为通过新型纳米结构设计提高固体电解质的离子导电性提供了有前景的方法。此外，具有面内电极的固体电解质还为具有提升的存储容量和功率密度的微LIB的发展开辟了道路。

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