科大工學院團隊為高性能全固態鋰金屬電池研製先進固態電解質

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊，最近成功研發一種新一代用於鋰金屬電池的固態電解質，能夠大幅提升電池的安全性和性能。這項突破性發現，有助於推動應用於電動車、便攜式電子產品和電網供電等領域的儲能技術發展。

與傳統鋰金屬電池相比，全固態鋰金屬電池以固態電解質取代了易燃的液態電解質，並抑制鋰枝晶生長的有害現象，有效提高電池的安全性和能量密度。這種電池為開發新一代儲能技術帶來前景。然而，全固態鋰金屬電池的廣泛應用受到室溫下的低離子電導率和鋰離子傳遞數的限制。

為解決這項挑戰，由科大化學及生物工程學系助理教授Yoonseob KIM領導的研究團隊，開發了一種新穎的製備方法，結合一種稱為離子型共價有機框架（iCOF）的多孔結晶聚合物與聚離子液體（PIL），製造出無溶劑和無塑化劑添加的高性能固態電解質。

這種新型iCOF/PIL合成固態電解質，在室溫下具有高離子電導率（達1.50 x 10⁻³ S cm⁻¹）和高鋰離子傳輸性能（大於0.8）。通過結合實驗數據和分子動力學模擬結果分析，團隊發現PIL、雙（三氟甲烷）磺酰亞胺鋰鹽（LiTFSI）和iCOF之間建立的共配位和競爭配位機制能夠加快鋰離子傳輸，並同時限制TFSI離子的移動。

團隊利用這種高性能固態電解質，進一步製造了一款由合成固態電解質與磷酸鐵鋰合成正極（LiFePO₄ composite cathode）組成的完整鋰金屬電池。團隊發現該電池在1C充放電率和室溫下帶有141.5 mAh g⁻¹的初始放電容量，經800次循環充電和放電後，仍然保持顯著的87%容量。

Kim教授表示：「我們提出的突破性方法首次成功展示出運行穩定、具高可逆容量的全固態鋰金屬電池，充分展現了iCOFs於電化學儲能裝置的巨大潛力，為全固態鋰金屬電池於電動車、便攜式電子產品和電網供電等的廣泛應用提供了新路向。」

這項研究由科大和上海交通大學、浙江大學和韓國漢陽大學的研究人員合作完成，最近於能源領域的頂級期刊《先進能源材料期刊》（Advanced Energy Materials）上發表，論文的標題為「基於離子型共價有機框架複合物的高性能全固態鋰金屬電池」。

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（原文於2024年7月18日在EurekAlert刊登。）