想法清奇!清華團隊用冰做固態電解質,零下20℃傳導十幾種金屬離子!

2021-02-25 納米人


本文與以下公眾號聯合發布

奇物論

（ID：numan2018）

 


相比於液態電解質，固態電解質由於更高的安全性、更大的能量密度和更長的使用壽命等優勢，已經成為鋰電池研究的關鍵問題。十年來，科學界和工程界經過不懈努力，發展了一系列可以傳導各種離子的新材料。譬如可以傳導Li+和Na+的固態電解質（鈣鈦礦，LiBH4，硫化物基玻璃/陶瓷，鈉超級離子導體（NASICON）和石榴石等），可以傳導Cu+和Ag+的超離子型和玻璃狀電解質固態電解質（RbAg4I5和AgI·Ag2O·2B2O3）等等。

 

雖然進步顯著，但仍有諸多問題懸而未決：

1）首先的一個問題就在於，固態電解質中，離子在固體晶格內傳輸機制並不清晰。

2）其次，由於在較低溫度下，離子傳輸動力學較差，因此大多數已有的固體電解質只能在室溫或高溫下工作。

3）除此之外，目前還沒有一種固態電解質，可以同時傳導多種金屬離子。

 

有鑑於此，清華大學伍暉課題組報導了一種想法清奇的新策略，他們用冰做固態電解質，可以在零下低溫下傳導十幾種金屬離子！

 

研究團隊首先通過理論計算進行研究，採用了一種改進的NEB算法來計算擴散能壘。他們提出了Cu2+在冰晶格中的兩種擴散路徑，計算得到，兩種路徑的活化能分別為0.35 eV和0.44 eV，與石榴石型Li7La3Zr2O12固態電解質的0.32 eV相近。這一理論指導表明，金屬離子可以通過電場驅動，在冰晶中傳輸。

 

研究者人員通過超快速冷凍水溶液，開發了一系列新型低溫固態離子導電冰（ICI），在-20℃至-5℃溫度範圍內，冷凍含有不同陽離子的硫酸鹽（Li+，Na+，Mg2+，Al3+，K+，Mn2+，Fe2+，Co2+，Ni2+，Cu2+和Zn2+）得到的ICI離子電導率範圍為10-7 S cm-1的（Zn2+）~10-3 S cm-1（Li+）。此外，研究團隊還在-40.0℃和-15.0℃的溫度範圍內測試了一組基於硝酸鹽和氯化物的ICI，使用基於CuSO4的ICI，可以實現金屬的電化學沉積。

 

總體來說，ICI的高離子導電性使得其成為一種極有前途的固態電解質新材料體系，而通過簡單地冷凍鹽水溶液獲得功能性冰材料為固態電化學及其實際應用開闢了新的途徑。

 

參考文獻：

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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