想法清奇!清华团队用冰做固态电解质,零下20℃传导十几种金属离子!
小奇 纳米人 2019-07-09

本文与以下公众号联合发布

奇物论

(ID:numan2018)

 


相比于液态电解质,固态电解质由于更高的安全性、更大的能量密度和更长的使用寿命等优势,已经成为锂电池研究的关键问题。十年来,科学界和工程界经过不懈努力,发展了一系列可以传导各种离子的新材料。譬如可以传导Li+和Na+的固态电解质(钙钛矿,LiBH4,硫化物基玻璃/陶瓷,钠超级离子导体(NASICON)和石榴石等),可以传导Cu+和Ag+的超离子型和玻璃状电解质固态电解质(RbAg4I5和AgI·Ag2O·2B2O3)等等。

 

虽然进步显著,但仍有诸多问题悬而未决:

1)首先的一个问题就在于,固态电解质中,离子在固体晶格内传输机制并不清晰。

2)其次,由于在较低温度下,离子传输动力学较差,因此大多数已有的固体电解质只能在室温或高温下工作。

3)除此之外,目前还没有一种固态电解质,可以同时传导多种金属离子。

 

有鉴于此,清华大学伍晖课题组报道了一种想法清奇的新策略,他们用冰做固态电解质,可以在零下低温下传导十几种金属离子!

 

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研究团队首先通过理论计算进行研究,采用了一种改进的NEB算法来计算扩散能垒。他们提出了Cu2+在冰晶格中的两种扩散路径,计算得到,两种路径的活化能分别为0.35 eV和0.44 eV,与石榴石型Li7La3Zr2O12固态电解质的0.32 eV相近。这一理论指导表明,金属离子可以通过电场驱动,在冰晶中传输。

 

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研究者人员通过超快速冷冻水溶液,开发了一系列新型低温固态离子导电冰(ICI),在-20℃至-5℃温度范围内,冷冻含有不同阳离子的硫酸盐(Li+,Na+,Mg2+,Al3+,K+,Mn2+,Fe2+,Co2+,Ni2+,Cu2+和Zn2+)得到的ICI离子电导率范围为10-7 S cm-1的(Zn2+)~10-3 S cm-1(Li+)。此外,研究团队还在-40.0℃和-15.0℃的温度范围内测试了一组基于硝酸盐和氯化物的ICI,使用基于CuSO4的ICI,可以实现金属的电化学沉积。

 

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总体来说,ICI的高离子导电性使得其成为一种极有前途的固态电解质新材料体系,而通过简单地冷冻盐水溶液获得功能性冰材料为固态电化学及其实际应用开辟了新的途径。

 

参考文献:

HuiWu, et al. Ice as Solid Electrolyte to Conduct Various Kinds of Ions,Angewandte Chemie International Edition, 2019.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201907832

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