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  10月17日，清華大學化工系副研究員張強課題組在《美國科學院院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）上發(fā)表文章《用于無枝晶生長金屬鋰保護的陰離子固定復合電解質》（An anion-immobilized composite electrolyte for dendrite-free lithium metal anodes），報道了研究組在柔性復合固態(tài)電解質領域取得的新進展。

（A）在陰離子固定的柔性復合固態(tài)電解質中，鋰離子均勻沉積；（B）在陰離子未被固定的常規(guī)電解質中，易生成枝晶。

  近年來，隨著智能手機等電子設備的廣泛運用，和電動汽車等新型交通工具的迅猛發(fā)展，人們不僅對電池能量密度的需求不斷增長，對電池安全性的要求也越來越高。

  現(xiàn)階段傳統(tǒng)電池大多采用有機液態(tài)電解質，采用有機液態(tài)電解質的電池在高溫下化學性質不穩(wěn)定，可能造成電池短路。在沖擊、過充等極端條件下易燃易爆，埋下安全隱患。因此，構筑電極、電解質均為固態(tài)材料的電池，是實現(xiàn)安全電池的終極目標。

  金屬鋰電極具有很高的理論容量，然而在充放電過程中易產生不均勻沉積，生成枝晶，給電池帶來容量損失。采用金屬鋰電極與固態(tài)電解質的固態(tài)電池，是下一代安全、高能電池的極佳選擇。

  為制造安全、高能的金屬鋰電池，化工系張強研究團隊提出利用無機陶瓷材料與有機聚合物材料結合，構筑柔性復合固態(tài)電解質。利用陰離子固定的無機陶瓷材料（鋁摻雜Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12, LLZTO）與有機聚合物材料（PEO-LiTFSI）構筑柔性復合固態(tài)電解質（PEO-LiTFSI-LLZTO, PLL）膜，抑制金屬鋰負極枝晶生長。復合電解質中的陰離子（TFSI-）被聚合物基體和陶瓷填料束縛，形成了均勻分布的空間電荷層，進而引導鋰離子均勻分布，實現(xiàn)金屬鋰的無枝晶沉積。鋰鹽中陰離子與鋰離子的解離有助于降低聚合物結晶度，構建了快速、穩(wěn)定的鋰離子傳輸通道。無機快離子導體的加入將拓寬聚合物電解質的電化學窗口，表現(xiàn)出很好的電解質-電極界面穩(wěn)定性與電化學循環(huán)性能。該復合固態(tài)電解質膜在極高溫度下提供屏障，阻隔正負極短路，提升電池循環(huán)效率與安全性。

鋰離子在陰離子固定的柔性復合固態(tài)電解質中均勻沉積，構筑高安全固態(tài)金屬鋰電池。

  該項研究工作的通訊作者是清華化工系副研究員張強，并列第一作者為張強課題組的博士生趙辰孜、碩士生張學強、在站博士后程新兵，并列第二作者為清華大學博士生張睿、北京理工大學碩士生許睿、清華大學本科生陳鵬宇、清華大學博士生彭翃杰和北京理工大學交叉學院教師黃佳琦。該工作在北京市科委、科技部、自然科學基金委、清華大學自主科研等基金的資助下完成。

  論文鏈接：http://www.pnas.org/content/114/42/11069.abstract