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圖1.（左）離子液晶型固體電解質(zhì)示意圖，（右）離子塑晶固體電解質(zhì)示意圖
圖2.離子塑晶固體電解質(zhì)在不同溫度條件下的性狀
鋰離子電池（LIBs）是當(dāng)今最重要的儲(chǔ)能及供能器件，其已被廣泛應(yīng)用于日常生活的方方面面，如智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。正極、負(fù)極和電解質(zhì)是LIBs的三大核心組件，但自日本SONY公司于1991年將LIBs成功商業(yè)化以來(lái)，LIBs的電解液至今仍采用傳統(tǒng)的液體電解液。這意味著，目前LIBs在電解質(zhì)的制備過(guò)程中，不可避免地會(huì)使用具有揮發(fā)性和易燃性的小分子電解液（如碳酸丙烯酯PC、碳酸二乙酯 DEC等)），致使LIBs在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生起火，爆炸等安全事故，研發(fā)一種在室溫條件下具有高離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)成為解決該問(wèn)題的有效手段之一。遺憾的是，傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)（包括固體聚合物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)氧化物、硫化物及鹵化物電解質(zhì)和復(fù)合固體電解質(zhì)）存在室溫離子電導(dǎo)率較低（10-8—10-5 S cm-1）或與電極間的界面阻抗較大的問(wèn)題，不能滿足LIBs的實(shí)際使用要求。因此，開(kāi)發(fā)一種具有室溫高離子電導(dǎo)率、高電化學(xué)穩(wěn)定性、柔性、制備條件相對(duì)溫和的固態(tài)鋰離子電解質(zhì)迫在眉睫。
圖3.所開(kāi)發(fā)離子液晶及離子塑晶聚合物固體電解質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)示意圖
基于此，在課題組前期工作基礎(chǔ)及量子力學(xué)補(bǔ)償阿倫尼烏斯方程（QCA）（Electrochimica Acta, 2019，294，249-259；Journal of Power sources, 2019，444，227305；Journal of Polymer Science, 2020,58,3480-3487等）的理論指導(dǎo)下，王繼亮、包黎霞課題組通過(guò)分子設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)模擬，成功制備了一系列具有高度空間有序結(jié)構(gòu)的低活化能離子液晶或離子塑晶聚合物固體電解質(zhì)（如圖1-圖3所示），所得固體電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率可達(dá)10-3 S cm-1數(shù)量級(jí)，可滿足LIBs的實(shí)際使用需求。同時(shí)，得益于巧妙的分子設(shè)計(jì)，所開(kāi)發(fā)離子液晶或離子塑晶聚合物固體電解質(zhì)具有優(yōu)異的柔韌性和抑制鋰枝晶生長(zhǎng)的能力，電解質(zhì)在不同電流密度下，循環(huán)充放電500小時(shí)無(wú)鋰枝晶生長(zhǎng)，無(wú)短路現(xiàn)象（如圖4所示）。
圖4. 離子塑晶聚合物固體電解質(zhì)的500小時(shí)充放電循及電子探針顯微鏡測(cè)試結(jié)果
相關(guān)研究結(jié)論以“Organic fast ion-conductor with ordered Li-ion conductive nano-pathways and high ionic conductivity for electrochemical energy storage”（2022，66，647-656， https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.09.011）和“Poly(carbonate)-based ionic plastic crystal fast ion-conductor for solid-state rechargeable lithium batteries”（in press）為題發(fā)表于本領(lǐng)域的國(guó)際知名期刊Journal of Energy Chemistry（化學(xué)1區(qū)Top，即時(shí)IF=13.25）。論文投出就得到審稿人的充分認(rèn)可，其一致認(rèn)為本研究可為高性能全固態(tài)鋰離子電池的開(kāi)發(fā)提供新的策略。論文第一作者為高分子化學(xué)與物理專業(yè)2019級(jí)碩士研究生楊一濱、周賀及謝佳穎（共同一作）。
上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、云南省科技廳“重大科技專項(xiàng)”、云南省“千人”計(jì)劃、云南省“萬(wàn)人”計(jì)劃、云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃和云南大學(xué)研究生創(chuàng)新研究計(jì)劃的資助。
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