青岛科大引入结晶高熵共熔概念构筑优异离子电导率的锌固态电解质

日前，青岛科技大学化学院周新红副教授与合作者，提出了一种成核诱导高熵的Zn(TFSI)2基共熔体结晶的锌离子固态电解质（ZCE）。其成果以题“Eutectic Crystallization Activates Solid-State Zinc-Ion Conduction”发表在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.（中科院JCR一区，影响因子15.336），得到了国际上同行评审专家的高度评价，文章第一作者为化学院硕士研究生邱华玉，学校为第一完成单位。

图1.ZCE的形成机理示意图及其形貌表征

高混乱度的共熔网络，有助于削弱离子缔合，并在具有丰富路易斯酸位点的TiO2成核剂表面形成拥有快速的Zn2+扩散动力学界面离子渗流通道。使得ZCE在30 °C时表现出高达3.78 × 10−5S cm−1的Zn2+离子电导率（比传统聚合物高约100倍）。借助Lewis酸−碱相互作用，高度混乱的TFSI−阴离子会在TiO2表面产生优先吸附，促使空间电荷层的产生。该界面电场的存在有助于建立额外的离子传输通道，MD模拟与DFT计算结果证实了这一理论。同时，TFSI−在TiO2表面的栓系，进一步降低了Zn2+-TFSI−缔合强度，使得Zn2+易于在TiO2表面栓系的阴离子间跳跃。Zn2+的均方位移也为快速界面离子跳跃通道的形成提供了强有力的证据，Dinterface= 1.196×10−5m2s−1>Dbulk= 7.980×10−7m2s−1。ZCE中明显改善的Zn2+传输动力学，使得组装的固态Zn/V2O5电池环境温度下表现出优异的电化学性能（比容量高达134.7 mAh g−1，平均库仑效率超过99.78%），进一步验证了ZCE的可行性与可靠性。该可靠性即使在极端温度条件下（50 ℃和−10 ℃）也依然有效。

图2. ZCE中Zn2+电导率增强的原理及Zn2+的传输路径

本工作引入了结晶高熵共熔材料的概念，构筑了一种新型的具有优异离子电导率的锌固态电解质。成核剂的使用不仅参与构建界面离子渗流通道，还可大幅度增加相变材料的结晶位点数量，调节其成核动力学，使成核温度和整体结晶速率显著提高。该巧妙的设计为增强多价固态导体的离子传输动力学提供了新的认识，也为新型多价固态电解质的开发提供理论支撑。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202113086

来源：青岛科技大学