近日,我校王景涛教授课题组在超低温固态锂电池领域取得重要进展,相关研究成果以“Metal-Organic Framework Electrolytes for Sub- –60°C Solid-State Lithium Batteries”为题,发表于国际材料科学顶级期刊《Advanced Materials》。课题组博士生张亚芳为论文第一作者,我校副校长王景涛教授、郑州大学武文佳副教授、天津大学姜忠义教授为通讯作者。《Advanced Materials》是全球材料领域最具影响力的权威期刊之一,为中科院一区TOP期刊,最新影响因子达29.1,刊发成果代表材料科学前沿创新水平。
超低温固态锂电池(< −60°C)是极地探索、高空基站等极端环境能源存储的关键,固态电解质(SSEs)的离子电导率直接决定了电池性能。传统聚合物和无机电解质中Li⁺传递受限于经典的热激活跳跃机制,在低温下因巨大的传递能垒导致离子电导率剧烈下降。因此,降低Li⁺传递活化能(Ea)是提升低温性能的关键。以往策略侧重于单独优化解离或跳跃过程,低温Ea改善效果并不显著。从电子云微结构层面重塑Li⁺传递路径或许可从根本上有效改善Ea,但受限于传统SSEs复杂的内部结构,难以实现精准调控。

针对这一难题,王景涛教授课题组设计并制备了一类具有弱温度依赖Li⁺传导特性、适用于超低温固态锂电池的电子云均质化金属有机框架(ECH-MOF)固态电解质。以开放金属节点锚定ClO4-作为Li⁺传递位点,通过引入具有不同推/拉电子特性的配体取代基,借助电子效应精准调节位点及位点间的电子云密度,实现位点构筑与电子云调控。利用强吸电子配体取代基诱导位点及位点间的电子云重排,使电子云均质化分布,为低温Li⁺传导提供超低能垒的传递路径,并首次揭示了“类量子隧穿滑移”传递新机制。所制备的ECH-MOF固态电解质表现出良好的机械性能与低温结构稳定性,组装的NCM 811||Li半电池在−60°C可稳定循环1000圈,该工作所提出的电子云均质化策略为开发新一代低温离子导体(H⁺、Li⁺、Na⁺、Zn2⁺等)提供了通用平台。
近年来,学校坚持“以学科聚人才、以平台育成果、以成果促发展”,化学学科跻身ESI全球前1%,形成“领军人才引领、青年骨干攻坚”的人才格局。此次成果的取得,正是学校长期深耕学科建设、厚植科研土壤的生动体现。学校将以此次为契机,抢抓“双优”建设机遇,进一步主动对接河南省产业需求,推动学科建设与地方发展同频共振,推动创新成果向工程技术转化,着力培养更多扎根产业需求的应用型创新人才,奋力建设高水平应用型大学。
(审核:闫慧;编审:孙旭涛;签审:钟伟平)