固態電解質膜的壓片照片 中科院青島生物能源與過程研究所供圖

隨著社會發展，醫療保健電子設備等器械對零件裝配的要求越來越高，對安全、無泄漏和小型化的能源存儲系統更是有著特殊的需求。這激發了中科院青島生物能源與過程研究所研究員、固態能源系統技術中心組長崔光磊的探索欲望。

他帶領團隊以此為導向，經過一次次試錯，最終用極簡單的材料和方法，在室溫下激活了固態鋅電池，并研發出滿足行業急需的儲能技術。近日，該成果發表于《德國應用化學》。

優秀但有缺失的“候選者”

在現有技術下，固態鋅電池因具有較高生物兼容性、低成本和高容量的特征而備受關注。其中，鋅金屬的體積比容量是鋰金屬的2.84倍，可以達到5855安時/升。這使其成為醫療保健電子設備電池不錯的“候選者”。

鋅固態電解質是關鍵，然而，傳統上廣受關注的鋅固態聚合物電解質，雖易于加工成柔性薄膜，但相較于一價的鋰離子或鈉離子以及高電荷密度的二價鋅離子，與聚合物鏈之間有著更強的鍵合，不可避免地會導致鋅離子在輸運過程中受限，進而產生較低的室溫離子電導率。

雖然利用塑化效應可以加速聚合物的鏈段動力學，但很可能伴隨機械性能和安全性的損失。如何讓鋅離子呈現出足夠的傳導動力?這個科學問題仍然很棘手。復合材料中的異質界面一直被認為是構筑快速離子傳輸通道的一種可行選擇，但在多價離子固態導體中鮮有涉及。

“也就是說，在新型儲能器件的眾多候選者中，固態鋅電池雖然優秀，但仍然無法滿足現有需求。”崔光磊對《中國科學報》說。

打造原創固態主體

要克服過去固態鋅電池的問題，需要固態電解質的主體材料本身對鋅鹽有良好的解離能力。然而，高電荷密度的鋅離子使得鋅鹽在液態中都很難有效解離。目前，尚無合適的固態主體可供選擇。因此，需要自主創新進行設計。

“我們嘗試了一種以前未曾探索過的方法。”崔光磊說，“通過成核誘導鋅基低共熔體結晶，開辟了一條構建鋅離子固態電解質的新途徑。”

中科院青島生物能源與過程研究所副研究員趙井文介紹，結晶低共熔體具有高混亂度的分子間相互作用網絡，在保證鋅離子充分解離的基礎上，離子可以表現出相當高的運動自由度。進而得益于路易斯酸—堿相互作用，含氟陰離子會在成核劑表面優先吸附，在兩相界面產生空間電荷層。

“該界面電場的存在有助于建立快速的鋅離子滲流通道。”趙井文描述說，在此過程中，鋅離子傳輸動力學得到了明顯改善，使其在30攝氏度時就能夠表現出高于傳統聚合物兩個數量級的鋅離子電導率，使得組裝的固態鋅電池在環境溫度下表現出優異的電化學儲能性能。

“該電池不管是比容量還是平均庫侖效率，都優于目前已報道的無溶劑固態鋅電池體系，進一步驗證了自主研發的鋅固態電解質的可行性與可靠性。”趙井文指出。

對癥下藥解決棘手難題

既然這是一個長期以來都無法攻克的難題，崔光磊團隊是如何實現重點突破的呢?

結合以前的工作進展，該團隊發現，低共熔體具有高的過冷度，在高溫下用液氮淬冷使其迅速降溫會存在固化現象。“這是一個很有意思的發現。我們果斷抓住這點進行探究，發現該現象具有很好的可重復性。”固態能源系統技術中心科研助理邱華玉對《中國科學報》說，“遺憾的是，恢復室溫時該固態材料有熔化跡象，無法滿足室溫固態電池的應用需求。”

為解決這個問題，團隊對癥下藥。通過大量調研，他們發現潛熱儲能領域通過引入成核劑可以有效提高相變材料的室溫穩定性，同時還可以增加成核位點數量，調節其成核動力學，使成核溫度和整體結晶速率顯著提高。該理論也恰巧解決了研究的燃眉之急，不僅提高了固態材料的穩定性，使其可以快速結晶，還可避免使用成本較高的液氮淬冷方式。

成核劑分為有機成核劑和無機成核劑，考慮到構筑界面滲流網絡的必要性，最終，團隊選擇了無機二氧化鈦作為成核劑，成功實現室溫可控結晶并構建了鋅離子快速傳輸的離子通道，終于解決了這個棘手難題。

步步創新只為精益求精

為了精益求精，這遠非終點。

雖然其材料機械性能已經足夠優越，但其機械強度依然無法與成熟的鋰離子固態電解質(比如石榴石型材料)相比。同時，在阻抗測試中，目前的材料也存在固態電解質界面阻抗過大的通病。

“為解決這個問題，我們巧妙利用低共熔體結晶熔化過程的可逆性，借助原位塑膜的方式制備固態電解質。這不僅有效降低了界面阻抗過大的問題，還可將固態電解質膜的厚度進一步降低。”邱華玉解釋道。

“該應用以其巧妙的設計散發著無限魅力，在基礎科學層面為增強固態導體的多價離子傳輸行為提供了新的認識，也為新型固態電池的開發提供借鑒。”崔光磊相信，“該項應用的前景一定可觀。”

在實用化推廣方面，崔光磊團隊還將進一步提高電池的整體性能，用于先進醫療保健及可穿戴電子設備供能方向的應用，如匹配更高電壓及更高負載的正極材料，使用限量的鋅負極等，以期進一步提高固態電池的能量密度。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1002/anie.202113086

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