北化工JACS：Li-HA-F基CSEs助力高性能固态电池

复合固态电解质（CSEs）被认为是高能锂金属电池（LMBs）中很有前途的离子导体，但其离子电导率不理想、机械强度低、热稳定性差、电压窗口窄等缺点限制了其实际应用。

基于此，北京化工大学王峰教授和牛津副教授等人报道了一种具有超长纳米纤维结构和超高室温离子电导率（12.6 mS cm^-1）的锂超离子导体（Li-HA-F）。当与聚环氧乙烷基固体电解质直接耦合时，Li-HA-F纳米纤维赋予CSE高离子电导率（在30 °C时为4.0×10^-4 S cm^-1），大的Li⁺转移数（0.66）和宽的电压窗口（5.2 V）。测试发现，利用Li-HA-F CSE制备的Li/Li半电池在2000 h内具有良好的稳定性，临界电流密度高达1.4 mA cm^-2。此外，LiFePO₄/Li-HA-F CSE/Li和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/Li-HA-F CSE/Li固态电池在宽温度范围内具有高可逆容量和良好的循环性能。

VASP解读

通过DFT计算，作者研究了Li在Li-HA-F CSE中的传导机理。计算结果表明，氟化后Li和HA之间的结合能增大，证实了F掺杂可以有效地促进锂盐的解离，促进Li⁺在纳米/PEO界面的传输。Li-HA-F CSE和HA CSE内部Li⁺浓度分布的有限元模拟结果表明，Li⁺在Li-HA-F CSE内均匀分布在纳米纤维上，而在HA CSE内可观察到显著的浓度梯度。

由于PEO基电解质的低σ值导致Li⁺积累，使得Li⁺浓度沿PEO基体迅速增加。同时，非活性填料如HA不能为Li⁺传输到电极提供直接途径。因此，即使在更垂直分散的纳米纤维状态下，高浓度的Li⁺沿着HA纳米纤维的分布也不均匀。Li⁺浓度迅速下降，沿Li-HA-F纳米纤维呈均匀分布，验证了Li-HA-F纳米纤维的Li超离子导电性在增强CSE的Li⁺导电性方面的关键作用。

Lithium Superionic Conductive Nanofiber-Reinforcing High-Performance Polymer Electrolytes for Solid-State Batteries. J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c00882.

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