與目前的液態(tài)鋰離子電池相比，全固態(tài)鋰電池(SSLBs)有望具有更高的能量密度和更好的安全性，但核心要求是整個(gè)電池中的有效離子傳導(dǎo)通路。

中科院蘇州納米所陳立桅、沈炎賓、利物浦大學(xué)Andrew I. Cooper、哈爾濱工業(yè)大學(xué)邱業(yè)君等開發(fā)了一種基于一類新興多孔材料-多孔有機(jī)籠(POCs)的陰極電解質(zhì)。

圖1. 基于有機(jī)籠的SSE-Li-RCC1-ClO₄的合成和表征

與擴(kuò)展的不溶性框架的MOF和COF不同，有機(jī)籠具有離散的分子共價(jià)結(jié)構(gòu)，并且可以溶液加工。這些分子可以堆積在一起形成具有高度互連的三維孔網(wǎng)絡(luò)的晶體，籠形分子的離散性質(zhì)使其可溶于不同的溶劑，這提供了可加工性，并且可以通過(guò)與其他可溶性化合物混合來(lái)引入不同的物理特性。

在這項(xiàng)工作中，開發(fā)的基于有機(jī)籠的固態(tài)鋰離子導(dǎo)體中，有機(jī)籠框架中的電離官能團(tuán)提供了一個(gè)具有高效介電屏蔽的環(huán)境，從而允許添加的鋰鹽（如LiClO₄）解離成移動(dòng)離子。除了表現(xiàn)出非常理想的室溫離子電導(dǎo)率外，這種基于有機(jī)籠的離子導(dǎo)體的一個(gè)關(guān)鍵特征是它在極性溶劑中的溶解度。

因此，有機(jī)籠式Li⁺導(dǎo)體很容易在漿料混合步驟中作為正極電解質(zhì)結(jié)合到固態(tài)正極中?；\狀正極電解質(zhì)均勻溶解在正極漿液中，在溶劑蒸發(fā)時(shí)結(jié)晶，并在涂覆過(guò)程中生長(zhǎng)在正極顆粒表面，從而在正極內(nèi)部形成有效的離子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。這種在SSLBs中使用有機(jī)籠的方法可以最大限度地減少正極所需的離子添加劑的數(shù)量，并帶來(lái)出色的室溫循環(huán)性能。

圖2. Li-RCC1-ClO₄的電化學(xué)表征

因此，在固態(tài)正極（LiFePO₄、NCM523、LCO）中含有20%這種籠狀固態(tài)電解質(zhì)的SSLB在室溫下呈現(xiàn)出小的極化和良好的可循環(huán)性。這種有機(jī)籠正極電解質(zhì)與當(dāng)前的正極制造工藝完全兼容，在SSLBs中具有很高的應(yīng)用潛力。未來(lái)的研究將側(cè)重于通過(guò)使用有機(jī)籠等結(jié)構(gòu)化有機(jī)分子添加劑來(lái)引入額外的優(yōu)勢(shì)，例如更好的空氣/水分穩(wěn)定性和增強(qiáng)的機(jī)械性能以及離子電導(dǎo)率。

圖3. 使用Li-RCC1-ClO₄正極電解質(zhì)的全固態(tài)電池的電化學(xué)性能

Room temperature all-solid-state lithium batteries based on a soluble organic cage ionic conductor. Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-29743-1