​今日Nat. Mater.：跨界思维！锂金属电池稳定循环或有更优解！

第一作者：Faezeh Makhlooghiazad

通讯作者：Jennifer M. Pringle

通讯单位：澳大利亚迪肯大学

两性离子或“内盐”代表了一类独特但非常多样化的材料，其中阳离子和阴离子物质共价结合。两性离子已被广泛研究用于表面活性剂、表面涂层和催化剂等应用，以及构建各种液晶和嵌段共聚物，但对于在电池方面的应用，迄今为止主要用作添加剂或用于制备聚合物凝胶。两性离子材料非挥发性、带电但不迁移的特性，有可能用作非挥发性固态基质材料，以支持目标离子的解离和传输，从而为电解质的发展提供了令人感兴趣的前景。

【成果简介】

鉴于此，澳大利亚迪肯大学Jennifer M. Pringle（共同通讯作者）报告了一系列可用于固态电解质，表现出分子无序和可塑性的两性离子，且使用差示扫描量热仪（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）、固态核磁（NMR）和X射线晶体学等技术对材料的热、形貌和结构特性进行了表征。同时，报告了两性离子与锂盐和锂官能化聚合物结合形成固态或高盐液态电解质的物理和传输特性，证明了基于两性离子的电解质可以实现高离子传输，并能够在锂金属电池中稳定循环。此外，利用无序两性离子材料作为电解质，以及其广泛的可调物理和化学性质，对于未来设计传统分子和离子溶剂体系中，非挥发性材料之间的选择具有重要意义。相关研究成果“Zwitterionic materials with disorder and plasticity and their application as non-volatile solid or liquid electrolytes”为题发表在Nature Materials上。

【核心内容】

1.具有动力学和可塑性的两性离子固体

本文以杂环小分子为目标，以促进材料旋转无序、塑性和高电导率。其中，三种具有不同阳离子基团的BF₃^-塑性两性离子的合成、物理和热性质，证明了这类材料的广度。这些材料为吡啶ZI(1)、ZI(2)和ZI(3)两性离子，特别展示了吡咯啶两性离子ZI(1)作为固体和液体电解质的高目标离子导电基质，以及这些电解质在锂金属电池中的优异稳定性。同时，两性离子根据阳离子基团的结构表现出不同的热行为。

图1. 纯两性离子的表征。（a）两性离子的化学结构、热稳定性和形貌；（b）ZI(1)的分子堆积；（c）20°C和60°C下的¹H和¹⁹F固态NMR光谱。

图2. 含10 mol% LiFSI的ZI(1)的热和传输特性。（a）含10 mol% LiFSI的ZI(1)和纯ZI(1)的电导率与温度的关系；（b）⁷Li和¹⁹F NMR与温度的关系；（c）含10 mol% LiFSI的ZI(1)的¹H线宽 (FWHM) 和窄峰的面积分数；（d）在不同温度下含10 mol% LiFSI的ZI(1)⁷Li、¹⁹F和¹H的自扩散系数。

图3. （a）Li||Li对称电池在0.1 mA cm^-2和50°C下的循环性能；（b）随着外加电流密度的增加，极化电压曲线；（c）Li||LFP电池在50°C下的循环曲线；（d）Li||LFP电池在50°C下的循环性能。

2.吡咯烷-两性离子基聚合物复合电解质

图4. （a）离子电导率与温度的关系，以及⁷Li和¹⁹F NMR线宽与温度的关系；（b）90 vol%（含10 mol% LiFSI的ZI(1)）和10 vol% NPs的对称电池循环性能。

3.基于两性离子的液态电解质

图5. （a）离子电导率和粘度与温度之间的关系；（b）Li||Li对称电池在50°C和 0.2 mA cm^-2条件下的对称电池；（c）不同电流下的极化电压测试。

【结论展望】

总而言之，本文报告了具有可塑性和动力学的两性离子材料作为非挥发性、非迁移性电解质材料。同时，使用三种方法来证明该系列材料性能：(1) 两性离子可用作基质材料，以提供非挥发性、离子导电的固体介质，而不会产生竞争性的离子传输；（2）两性离子可与功能性添加剂如锂功能化聚合物一起用于复合材料中，以增加目标离子传输和机械性能；（3）对于高浓度电解质体系，两性离子可以与高浓度锂盐结合形成具有高锂离子传输的非挥发性液台电解质。此外，这三个示范系统均实现了对锂金属电池的稳定循环。这项工作也为其他电化学系统的电解质开发指明了新的方向。例如，无序的两性离子材料可能有利于增加其他碱金属或多价离子电池中的目标离子传输，并且可以针对固态或液态电解质的发展进行调整。

【文献信息】

Faezeh Makhlooghiazad, Luke A. O’Dell, Luca Porcarelli, Craig Forsyth, Nurul Quazi, Mousa Asadi, Oliver Hutt, David Mecerreyes, Maria Forsyth，Jennifer M. Pringle，Zwitterionic materials with disorder and plasticity and their application as non-volatile solid or liquid electrolytes, 2021.

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01130-z