打开网易新闻 查看精彩图片

打开网易新闻 查看精彩图片

导语

近日，来自郑州大学的王景涛教授与武文佳博士，在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Preparing two-dimensional ordered Li0.33La0.557TiO3 crystal in interlayer channel of thin laminar inorganic solid-stateelectrolyte towards ultrafast Li+ transfer”的文章。该文章指出目前传统的LLTO基固态电解质晶体之间通常存在较大的结构缺陷，造成大的晶界电阻，导致其离子电导率较LLTO体相传导率低1-2个数量级。此外，传统热压或冷压方式所制备的无机固态电解质通常较厚，制约电池的能量密度。作者通过层状膜规整且亲水的层间通道，控制LLTO晶体的生长和排布制备了具有大尺寸、无晶体结构缺陷、取向排布的LLTO基薄型层状固态电解质，该电解质表现出优异的离子传导能力。

打开网易新闻 查看精彩图片

在层间生长形成大尺寸、无结构缺陷、取向生长的LLTO晶体。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者简介

王景涛教授简介：王景涛，郑州大学化工学院教授，博士生导师。博士毕业于天津大学化工学院，阿德莱德大学访问学者。主要从事纳米通道膜传递通道的精密构筑及限域传质高效强化等方面的研究。主持国家自然科学基金项目4项、中石化、中船重工等技术开发项目6项。以第一或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文70余篇，主编膜方面英文专著一部，授权发明专利11项。获侯德榜化工科学技术青年奖、宝钢优秀教师奖、霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、美国化学会I&EC research 2019年有影响力学者。

武文佳博士简介：武文佳，工学博士，郑州大学博士后，美国杜克大学访问学者。主要从事能源电池隔膜与膜材料等方面的研究工作，以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Res.、J. Membr. Sci.等期刊发表SCI论文20余篇，3篇被选为“热点论文”；主编膜方面英文专著一部。主持中国博士后科学基金站中特别资助、面上项目、省青年人才托举项目、企业横向等项目6项。申请发明专利8项，已授权2项。获得博士研究生国家奖学金（2次）、省级优秀学位论文、省级优秀毕业生、校级“十佳研究生”等奖励和荣誉。

前沿科研成果

限域二维层间通道内制备有序排布Li0.33La0.557TiO3晶体，实现Li+快速传递

研究背景

开发高性能全固态锂电池是发展便携式电子产品和电动汽车的迫切需求，其核心是开发高性能的固态电解质。无机快离子导体，例如，Li0.33La0.557TiO3（LLTO）等，在室温下具有高体相离子传导率（~10−3 S cm-1）、优异的热稳定性和较宽的电化学稳定窗口，因而得到了广泛的研究。然而，传统热压或冷压方式制备的LLTO基固态电解质，其LLTO晶体之间通常存在较大的结构缺陷，造成了大的晶界电阻，从而导致其离子传导率较体相传导率低1-2个数量级。此外，传统热压或冷压方式制备出的LLTO基固态电解质通常较厚（>200 μm），制约了全固态锂电池的能量密度。

本文要点

要点一：LLTO晶体的有序生长排布

常见的无机快离子导体是在开放空间烧结形成的，通过进一步的冷压或热压得到无机固态电解质。然而，开放空间中生长的LLTO晶体在生长方向上是随机无序的，制备的固态电解质存在较多结构缺陷从而导致大的晶界电阻，严重影响锂离子的传递效率。为了控制LLTO晶体的生长，作者采用刚性、亲水的蛭石（Vr）纳米片构建出了规整的二维层间通道，然后将LLTO前驱体溶液均匀注入层间通道并进一步原位烧结形成大尺寸LLTO晶体。由于层间通道的限域作用，LLTO晶体在层间通道内主要沿Li+传递最快的c轴方向生长。相较于开放空间生长的LLTO晶体，限域空间生长的LLTO晶体展现出了有序排布和无明显结构缺陷的特征。

要点二：薄的电解质厚度

为保证结构稳定性，传统的无机固态电解质通常较厚（>200 μm）。而大的厚度将增加锂离子在正负极之间的传递距离，减弱锂离子传递能力，增大面电阻，减小电池能量密度，对电池的性能和实际应用带来不利影响。在本文中，作者创新性地借助于无机层状膜优异的成膜性和柔韧性等特点，以无机层状膜为框架，在层间原位烧结生长LLTO晶体。同时，LLTO晶体与蛭石层状框架之间形成共价键，进一步增强了电解质的机械稳定性。最终，所制备的薄型层状无机固态电解质厚度为15 μm，有效缩短了锂离子传递距离，提升了传导能力和电池能量密度。

要点三：优异的锂离子传递能力

理论计算结果显示，锂离子在LLTO晶体的晶界处传递能垒最高，而在限域通道内沿c轴有序生长的LLTO晶体则具备更低的传递能垒。同时，薄的厚度进一步降低了锂离子传递距离。相较于传统LLTO基固态电解质，本文制备的Vr-LLTO层状无机固态电解质展现出了高的离子传导率（8.22×10−5 S cm−1）和离子电导（87.2 mS）。

要点四：前瞻

开发高性能全固态锂电池是发展下一代储能设备的迫切需求，无机快离子导体因其高的体相离子传导率、优异的热稳定性和较宽的电化学稳定窗口，在全固态锂电池领域获得了广泛研究。然而当前无机固态电解质大的晶界电阻和厚度制约着其锂离子传导能力和能量密度。该工作结果表明，构建合适的限域空间，可有效控制晶体的生长，从而实现晶体的有序排布，消除晶界结构缺陷。由于二维材料家族的迅速扩大和层状膜精密制造技术的不断发展，以层状膜为限域平台进行大面积晶体制备和传递机理研究极具前景。

论文信息

Preparing two-dimensional ordered Li0.33La0.557TiO3 crystal in interlayer channel of thin laminar inorganic solid-state electrolytetowards ultrafast Li+ transfer

Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202114220

第一作者：吕睿鑫

通讯作者：王景涛*，武文佳*

单位：郑州大学

关于人物与科研

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，携手ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官博、CBG资讯公众号等平台推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。欢迎来稿，详情请联系C菌微信号：chembeango101。

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。