三单位联合Nature子刊：基于可溶性有机笼离子导体的室温全固态锂电池

与目前的液态锂离子电池相比，全固态锂电池(SSLBs)有望具有更高的能量密度和更好的安全性，但核心要求是整个电池中的有效离子传导通路。

中科院苏州纳米所陈立桅、沈炎宾、利物浦大学Andrew I. Cooper、哈尔滨工业大学邱业君等开发了一种基于一类新兴多孔材料-多孔有机笼(POCs)的阴极电解质。

图1. 基于有机笼的SSE-Li-RCC1-ClO₄的合成和表征

与扩展的不溶性框架的MOF和COF不同，有机笼具有离散的分子共价结构，并且可以溶液加工。这些分子可以堆积在一起形成具有高度互连的三维孔网络的晶体，笼形分子的离散性质使其可溶于不同的溶剂，这提供了可加工性，并且可以通过与其他可溶性化合物混合来引入不同的物理特性。

在这项工作中，开发的基于有机笼的固态锂离子导体中，有机笼框架中的电离官能团提供了一个具有高效介电屏蔽的环境，从而允许添加的锂盐（如LiClO₄）解离成移动离子。除了表现出非常理想的室温离子电导率外，这种基于有机笼的离子导体的一个关键特征是它在极性溶剂中的溶解度。

因此，有机笼式Li⁺导体很容易在浆料混合步骤中作为正极电解质结合到固态正极中。笼状正极电解质均匀溶解在正极浆液中，在溶剂蒸发时结晶，并在涂覆过程中生长在正极颗粒表面，从而在正极内部形成有效的离子传导网络。这种在SSLBs中使用有机笼的方法可以最大限度地减少正极所需的离子添加剂的数量，并带来出色的室温循环性能。

图2. Li-RCC1-ClO₄的电化学表征

因此，在固态正极（LiFePO₄、NCM523、LCO）中含有20%这种笼状固态电解质的SSLB在室温下呈现出小的极化和良好的可循环性。这种有机笼正极电解质与当前的正极制造工艺完全兼容，在SSLBs中具有很高的应用潜力。未来的研究将侧重于通过使用有机笼等结构化有机分子添加剂来引入额外的优势，例如更好的空气/水分稳定性和增强的机械性能以及离子电导率。

图3. 使用Li-RCC1-ClO₄正极电解质的全固态电池的电化学性能

Room temperature all-solid-state lithium batteries based on a soluble organic cage ionic conductor. Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-29743-1