Chem. Mater. | 具有室温超快锂离子传导能力的(LiBH4)x•AB复合氢化物固态电解质

英文原题：Incorporation of Ammonia Borane Groups in the Lithium Borohydride Structure Enables Ultrafast Lithium Ion Conductivity at Room Temperature for Solid-State Batteries

通讯作者：刘永锋, 浙江大学

作者：Huan Liu（刘欢）, Zhuanghe Ren（任状禾）, Xin Zhang（张欣）, Jianjiang Hu（胡建江）, Mingxia Gao（高明霞）, Hongge Pan（潘洪革）, Yongfeng Liu（刘永锋）

现代社会对电池的能量密度、安全性和稳定性提出了更为严苛的要求。用固态电解质替代有机电解液，发展先进的全固态锂离子电池被认为是提升电池能量密度、解决电池安全性的必由之路。LiBH₄基固态电解质由于质量轻、晶界阻抗低、离子选择性好、对Li稳定性好以及优异的机械性能，近年来引起了人们的广泛关注。尽管LiBH₄在高温下（>110 ºC）展现出高于10^-3 S cm^-1的离子电导率，但其室温时的离子电导率仅为10^-8 S cm^-1，大大限制了其在全固态电池中的实际应用。

近日，浙江大学潘洪革教授（点击查看介绍）团队的刘永锋教授（点击查看介绍）课题组通过机械球磨的手段，将NH₃·BH₃（AB）分子引入到LiBH₄晶格中，合成了(LiBH₄)₂•AB和LiBH₄•AB复合氢化物，成功实现了室温条件下LiBH₄基固体电解质的超快锂离子传导性能。结果表明，在LiBH₄晶格中引入第二相AB分子，可以显著增大晶胞体积，并引入大量Li空位，但不会破坏[BH₄]^-基团的排列。制备得到的(LiBH₄)_x •AB复合氢化物具有优异的锂离子传导性能，离子迁移数达到0.999。在18 ºC时，LiBH₄•AB离子电导率可达2×10^-4 S cm^-1，30 ºC时高达1×10^-3 S cm^-1。在0.1和0.2 mA cm^-2电流密度下恒电流充放电，Li/(LiBH₄)_x •AB/Li对称电池40 h循环过程中没有明显的电压波动，表现出良好的循环稳定性能。LiBH₄•AB的极限电流密度甚至可达到3.0 mA cm^-2。分子动力学（AIMD）模拟可知，在(LiBH₄)₂•AB结构中，Li⁺的扩散是以ac平面2D扩散为主、b方向1D扩散为辅的3D扩散机制；而在LiBH₄•AB结构中，主要是b方向的类1D扩散机制。其中，(LiBH₄)₂•AB的扩散激活能为0.25 eV，而LiBH₄•AB的激活能仅为0.12 eV，明显低于文献报道的典型快离子导体的0.5 eV。研究结果对于发展氢化物基室温实用型固体电解质奠定了基础。

图1. LiBH₄, AB, (LiBH₄)₂•AB 和 LiBH₄•AB材料的 (a) 光学照片，(b) XRD图谱，(c) FTIR谱线和 (d) NMR图谱

图2. LiBH₄, AB, (LiBH₄)₂•AB 和 LiBH₄•AB材料的 (a-c) EIS图以及 (d) 离子电导率的Arrhenius图

图3. 分子动力学模拟得到的 (a-d) (LiBH₄)₂•AB 和 (e-h) LiBH₄•AB的Li离子扩散路径示意图

图4. 理论计算的(LiBH₄)₂•AB和LiBH₄•AB (a) 均方位移以及 (b) 扩散激活能

图5. (LiBH₄)₂•AB和LiBH₄•AB的(a,b)恒电流和(c,d)阶跃电流循环曲线

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Incorporation of Ammonia Borane Groups in the Lithium Borohydride Structure Enables Ultrafast Lithium Ion Conductivity at Room Temperature for Solid-State Batteries

Huan Liu, Zhuanghe Ren, Xin Zhang, Jianjiang Hu, Mingxia Gao, Hongge Pan, Yongfeng Liu*

Chem. Mater., 2019, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b03188

Publication Date: December 31, 2019

Copyright © 2019 American Chemical Society

导师介绍

潘洪革

https://www.x-mol.com/university/faculty/53188

刘永锋

https://www.x-mol.com/university/faculty/53185

（本稿件来自ACS Publications）