谢琎、赵英博团队开发全新全固态电解质材料体系

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近日，上海科技大学物质科学与技术学院谢琎课题组与赵英博课题组合作开发了一种基于自下而上合成玻璃态金属有机框架，来模块化设计非晶态固态电解质的通用策略。该策略为实现固态电解质的离子电导率和机械强度的最佳平衡提供了一条有效的途径，相关研究成果发表于国际学术期刊Nano Letters。
固态电解质（SSEs）是固态锂金属电池的重要组成部分，优异的SSEs材料需具有高离子导电性、出色的机械强度和兼容的电解质/电极界面。在众多SSEs材料中，聚合物因具有高可加工性和低成本而成为有前途的电解质候选材料之一。从化学角度来看，聚合物SSEs的设计常常面临电导率和机械强度之间的权衡，高离子导电性需要高的链柔性实现快速的锂离子跳跃，而机械韧性需要链缠绕和交联。在常见的聚（环氧乙烷）（PEO）基电解质中，该权衡问题同样存在，其中高分子量有利于链的缠绕用来提高机械韧性，但会导致高度结晶和低离子电导率。因此，开发一种简单、合理和通用的合成策略来解开链柔性和缠绕的复杂关系对SSEs设计具有重要价值。
       金属有机框架(MOFs)化学的模块化特性可以用来设计聚合物网络固态电解质，其中聚合物链可以代替短链有机配体作为有机连接体。研究团队通过将PEO和纳米钛氧团簇连接成钛-醇网络（TANs）来展示这种策略。TANs的模块化设计允许加入不同分子量的PEO连接体，为高离子电导率提供了最佳的链灵活性，而配位网络则提供了可控的交联度，以提供足够的机械强度。此方法为实现离子传导率和机械强度的最佳平衡提供了一条有效的途径。基于此策略制造出高离子电导率（30℃下高达0.125 mS cm-1）、抵抗锂枝晶渗透的高机械强度和良好界面接触的SSEs。该SSEs与磷酸铁锂和锂金属所组成的半电池显示出优异的循环和倍率性能。

图1：（a）钛-双酚玻璃态MOFs（Ti-BPA）以及钛-醇网络（TAN-EOn）的合成策略（氧原子：黄色；钛原子：蓝色）；（b）TAN-EOn形成的动态过程。

        从材料设计的角度来看，以上网状设计代表了一种通用的解开链柔韧性和交联程度之间复杂关系的有效途径。同时，这种设计策略提供了一种合理的方法来实现聚合物网络SSE中离子电导率和机械性能的最佳平衡。这项研究将网状化学扩展到非晶领域，为下一代储能系统的材料优化提供了思路和指导。
      上海科技大学物质学院谢琎课题组研究生张悦、赵英博课题组研究生刘盈为论文的共同第一作者，谢琎教授与赵英博教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。其中，广西师范大学的曾明华课题组为本项工作提供了结构表征支持，上海科技大学姜珊课题组为本项工作提供了结构计算模拟支持。
        论文标题：Monolithic TitaniumAlkoxide Networks for Lithium-Ion Conductive All-Solid-State Electrolytes
        论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00940
        文章来源：上海科技大学
       谢琎，上海科技大学研究员。2009年毕业于复旦大学，2015年在Boston College取得博士学位，2015-2018年在Stanford University从事博士后研究。在Nature Nanotechnology，Science Advances，Nature Communications，Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chemie International Edition等国际权威学术期刊上发表论文50余篇，总被引4800余次。课题组目前主要的研究方向包括设计、合成新型的材料界面，探索材料界面在能源器件中的失效机理。
       赵英博，现任上海科技大学物质科学与技术学院研究员、助理教授、独立课题组长。2012年本科毕业于中科大少年班，2017年博士毕业于美国加州大学伯克利分校化学系（导师：Omar M. Yaghi 院士），2017年至2021年在加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系从事博士后研究（合作导师：Ali Javey教授），在国际高水平学术期刊发表论文21篇，其中作为（共同）第一作者或通讯作者发表论文10篇，包括Science (1篇)、Nat. Electron.(2篇)、J. Am. Chem. Soc.(5篇)、Nat. Comm.(2篇)、Matter. (1篇)。