万立骏院士、郭玉国研究员：离子电子导电中间层！助力可充电固体电池的商业化

万立骏院士、郭玉国研究员：离子/电子导电中间层助力可充电固体电池的商业化中国科学院化学研究所的万立骏院士和郭玉国研究员在可充电固体电池领域取得了重要突破。他们通过Mg3N2层修饰聚环氧乙烷（PEO）电解质，成功构建了离子/电子导电中间层（MIECI），这一创新设计显著提升了固体电池的循环稳定性和动力学性能，为高能量密度固体电池的商业化应用铺平了道路。一、研究背景高能量密度的锂（Li）金属电池被视为下一代储能系统的有力候选者。然而，液态有机电解质中锂枝晶的生长问题严重阻碍了其商业化进程。固体电解质，尤其是固体聚合物电解质（SPEs），因能有效阻止锂离子枝晶生长，防止锂离子腐蚀、泄漏和燃烧等问题，而备受关注。但SPEs仍存在机械强度低以及与锂金属阳极之间离子界面调节差的问题，这限制了锂枝晶的抑制效果并使锂阳极不稳定。二、创新策略针对上述问题，万立骏院士和郭玉国研究员提出了通过Mg3N2层修饰PEO电解质的策略。他们发现，Mg3N2层能在循环过程中原位转变为由快速离子导体Li3N和良性电子导体Mg金属组成的混合离子/电子导电中间层（MIECI）。这一中间层能够缓冲Li+浓度梯度，均匀化电流分布，从而抑制锂枝晶的生长，并增强电池的循环稳定性和动力学性能。三、实验结果循环性能提升：通过对比PEO电解质和PEO-Mg3N2电解质的循环行为，研究团队发现PEO-Mg3N2电解质表现出更优异的循环稳定性。界面结构分析：SEM图像和元素映射结果显示，Mg3N2层成功修饰在PEO电解质表面，形成了致密的中间层结构。同时，光学照片和AFM图像进一步证实了PEO-Mg3N2电解质的高机械强度和良好粘附性。电化学性能优化：Li对称电池的电压分布和循环性能测试表明，PEO-Mg3N2电解质能够显著抑制锂枝晶的生长，提高电池的循环稳定性。此外，LFP|Li电池的倍率性能也得到了显著提升。离子分布模拟：利用COMSOL Multiphysics仿真软件，研究团队模拟了PEO-Mg3N2和PEO电解质在初始和稳态下的Li+分布。结果显示，PEO-Mg3N2电解质能够更有效地缓解离子浓度梯度，平衡电流分布，从而促进Li+的动力学过程。四、研究意义这一研究成果不仅为固体电解质锂金属负极的界面设计提供了新的思路，还有助于推动高能量密度、长寿命固体锂金属电池的商业化进程。通过原位形成MIECI的策略，研究团队成功解决了固体电解质与锂金属阳极之间的界面问题，显著提升了电池的电化学性能。五、结论综上所述，万立骏院士和郭玉国研究员通过Mg3N2层修饰PEO电解质，成功构建了离子/电子导电中间层（MIECI），这一创新设计显著提升了固体电池的循环稳定性和动力学性能。这一研究成果为固体锂金属电池的商业化应用提供了有力支持，有望推动下一代高能量密度储能系统的快速发展。