我校材料学院郑时有教授团队近期在固体电解质、固态电池和离子电容等关键材料的结构调控与性能优化方面取得了许多创新性成果和重要进展。
在固体电解质研究中，发展了新型固体电解质的多相多尺度结构和界面的设计策略，开发出适用于固态电池的高性能配位氢化物基固体电解质。其中，团队与美国马里兰大学和复旦大学合作，提出纳米限域与复合优化策略提升LiBH4材料的体相和界面锂离子电导率，可实现了全固态电池的稳定循环。相关研究成果以“A High-Performance Li–B–H Electrolyte for All-Solid-State Li Batteries”为题发表在材料领域权威期刊Advanced Functional Materials（2019, 29: 1809219，IF:15.621)上和以“In Situ Formed Li-B-H Complex with High Li-ion Conductivity as a Potential Solid Electrolyte for Li Batteries”发表于ACS Applied Materials & Interfaces (2019, 11: 14136,IF=8.456)上。同时，团队与日本九州大学等单位合作，开发了基于固相反应原位生成具有纳米修饰层的复合固体电解质，显著地改善了电解质/电极间界面的稳定性，提升了固态电池的综合电化学性能。该研究成果近日被Materials Today Nano接受发表，题为“In Situ Forming LiF Nano-Decorated Electrolyte/Electrode Interfaces for Stable All-Solid-State Batteries” (doi:10.1016/j.mtnano.2020.100079)。
图1. 固体电解质制备示意图与固态电池的性能曲线
在高容量电极材料研究方面，巧妙运用固相预锂化策略构建出新型的金属锂配位氢化物Li-Al-H体系纳米复合电极材料，并以Li-B-H体系固体电解质组装全固态锂电池，显现出优异的电化学性能。该工作发表于材料领域权威期刊Advanced Energy Materials（2020,1902795，IF: 24.884）上, 题为：Solid-State Prelithiation Enables High-Performance Li-Al-H Anode for Solid-State Batteries 。
图2. 由Li-Al-H体系纳米复合电极材料组装成的全固态锂电池
在离子电容研究上，团队与美国佐治亚理工学院合作，开发了一种三维结构纳米TiO2和剪切碳纳米管复合钠离子电容电极材料，该电极具有高能量/功率密度、优异的倍率特性和稳定循环性能。相关成果以“Enhanced Ionic/Electronic Transport in Nano-TiO2/Sheared CNT Composite Electrode for Na+ Insertion-based Hybrid Ion-Capacitors”为题发表在Advanced Functional Materials (2020, 30: 1908309. IF=15.621)上。
图3. 三维结构纳米TiO2和剪切碳纳米管复合电极材料
有关研究成果同时亦申请了多项国家发明专利和PCT专利。以上工作得到国家自然科学基金委和上海市科委与教委等项目的资助，研究论文的第一作者为团队青年教师庞越鹏和袁涛副教授与硕士研究生。