固態電池被譽為下一代顛覆性的電池技術，除了有望解決當前液態電池所存在的安全隱患外，還能夠大幅提升電池的能量密度，將從根本上改變移動設備、電動汽車以及規模儲能等領域的格局。然而，目前該技術在界面穩定性和電池制造等方面仍面臨諸多挑戰。例如，盡管有機聚合物固態電池在界面力學穩定性方面表現優越，但其界面化學穩定性較差，無法與高電壓正極兼容，從而限制了其能量密度。同時，具有高離子電導率的無機硫化物固態電池除了制造成本較高外，還需要施加至少幾十個大氣壓力才能正常運行，這使得其商業化進程困難重重。因此，探索一種能夠克服這些挑戰的新型固體電解質材料變得尤為重要。

　　近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心胡勇勝團隊在固態電池領域取得了重大突破，發現了一類兼具無機晶體固體電解質高離子電導率和有機聚合物固體電解質柔性的新型粘彈性無機玻璃（VIGLAS）固體電解質。相關研究成果于2021年3月29日申請兩項發明專利（CN 115140770 B 和 CN 115215361 B，已獲得授權），并于近期發表在能源領域頂級期刊《自然-能源》上。中國科學院物理研究所代濤博士為該論文第一作者，中國科學院物理研究所胡勇勝研究員，陸雅翔副研究員和中國科學院過程工程研究所趙君梅研究員為共同通訊作者。

　　利用四氯鋁酸鋰（LiAlCl4）和四氯鋁酸鈉（NaAlCl4）較低的熔點（146℃和185℃），巧妙地通過熔融法將其中的部分氯原子替換為氧原子，成功將脆性熔鹽轉化為具備類似于有機聚合物變形能力的粘彈性無機玻璃（LiAlCl2.5O0.75, LACO 和 NaAlCl2.5O0.75, NACO），這種材料在室溫下可以實現多次彎曲和折疊。這一發現顛覆了以往人們對無機固體電解質難以具備聚合物電解質機械性能的認知，為固體電解質的研發開辟了新的方向。

圖 1 LACO和NACO電解質的力學特性和離子電導率

　　結合實驗與理論計算，進一步揭示了這類粘彈性無機玻璃的形成機理和離子傳導機制。首先，這類VIGLAS具有低于室溫的玻璃化轉變溫度（Tg），因此其在室溫下具有類似聚合物的粘彈性。而如此低的Tg源于其平衡的氧/氯比，氧橋的存在構筑了適當大小的Al-O-Al網絡，阻礙了凝結過程中原子重新排列而形成晶體。在離子導電性方面，氧橋的存在一方面縮短了Li-Li之間的距離，從而促進了Li+的跳躍；另一方面，這類VIGLAS電解質還存在類似于PEO聚合物電解質的鏈段運動，這種Al-O-Al鏈段運動也促進了附近的Li+離子集體遷移。

圖 2 LACO電解質中存在的兩種離子電導機理

　　更為重要的是，這類無機玻璃固體電解質材料不僅具備有機聚合物優秀的變形能力，還繼承了傳統無機電解質的特點，如耐受高電壓（4.3 V）和高離子電導率（>1 mS/cm）。這些優勢成功解決了固態電池正極界面在力學和化學上的穩定性難題，首次實現了真正室溫下無需外界壓力（< 0.1 MPa）即可正常運行的無機全固態鋰/鈉電池，為推進全固態電池的發展提供了新的路徑。

圖 3 無額外壓力的Li和Na基全固態電池循環性能

　　本工作得到了國家自然科學基金（52122214）和中國科學院青年創新促進會（2020006）的支持。

文章信息：
Tao Dai, Siyuan Wu, Yaxiang Lu*, Yang Yang, Yuan Liu, Chao Chang, Xiaohui Rong, Ruijuan Xiao, Junmei Zhao*, Yanhui Liu, Weihua Wang, Liquan Chen & Yong-Sheng Hu*. Inorganic glass electrolytes with polymer-like viscoelasticity. Nature Energy, 2023, DOI: 10.1038/s41560-023-01356-y.

文章鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41560-023-01356-y

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