上海硅酸盐所在固态超离子导体界面构筑领域取得系列进展--中国科学院上海硅酸盐研究所

上海硅酸盐所在固态超离子导体界面构筑领域取得系列进展

发布时间： 2026-03-18 16:45 | 【小中大】【打印】【关闭】

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所支键研究员团队围绕储能电池界面稳定性与离子传输效率等关键科学问题，提出“离子通量精准调控”这一核心设计理念，通过超离子导体界面层构建、隔膜工程与电极材料结构优化等多维协同策略，在锂离子、钠离子及锌离子二次电池体系中取得系列突破性进展。相关成果相继发表于National Science Review, Research、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等国际学术期刊，为高安全、高能量密度储能电池的工程化应用提供了重要理论基础与技术路径。

磷酸基界面层“双重调控”，创全气候电池新纪录

在锂离子电池体系中，研究团队发现磷酸基团能够介导电极界面与离子溶剂化结构的协同调控。通过三甲基磷酸酯（TMP）在电极表面原位形成磷酸锂型超离子导体界面层，一方面利用质子捕获效应有效抑制析氢副反应，提升界面稳定性；另一方面通过界面层的空间位阻调控电解质中离子结构，诱导形成尺寸更小的离子簇，从而显著提升Li⁺迁移通量。基于该策略构建的甲磺酸锂-TMP电解液体系实现了4.5 V超宽电化学稳定窗口，在10,000次循环后仍保持优异稳定性，并可在–40℃极端低温环境下稳定运行，同时兼容多种主流正负极材料，展现出优异的全气候适应能力。该成果以 “Methanesulfonate in phosphate superionic electrolyte enables ampere-hour practical aqueous batteries”为题发表在期刊Research上。上海硅酸盐所支键研究员、加拿大滑铁卢大学罗云峰、中国科学院大连化学物理研究所廖晨伊副研究员以及加拿大滑铁卢大学刘众一为此论文共同第一作者，上海硅酸盐所支键研究员、辽宁师范大学李国辉教授以及加拿大滑铁卢大学/宁波东方理工大学陈璞院士为共同通讯作者。

磷酸键合高氯酸（PBP）电解液超结构实现宽温域高效离子传输

在钠离子电池研究中，团队进一步提出磷酸键合高氯酸（PBP）电解液超结构设计，通过诱导形成焦磷酸钠型超离子导体界面层，有效限制自由水分子与电极的直接接触，从而拓宽电化学稳定窗口至3.2 V。同时，该界面层构建了高效的离子传输通道，显著提升Na⁺迁移效率。基于该电解液体系，NaMnO₂正极实现198.21 mAh g⁻¹的高比容量，全电池能量密度达到82.31 Wh kg⁻¹，并在低温条件下仍保持良好的电化学性能，显示出优异的环境适应性。相关研究以“Phosphate Bonded Perchloric Superstructure Enables Energy‐Dense and Ultra‐Stable Aqueous Sodium‐Ion Batteries”为题发表于Advanced Materials。加拿大滑铁卢大学刘众一和中国科学院大连化学物理研究所张跃斌副研究员为此论文共同第一作者，上海硅酸盐所支键研究员、辽宁师范大学李国辉教授和加拿大滑铁卢大学/宁波东方理工大学陈璞院士为通讯作者。

“离子筛”型界面调控隔膜，终结双向串扰难题

针对锌锰二次电池中长期存在的离子串扰问题，研究团队创新提出“离子筛型”分级多孔氟化物超离子导体隔膜结构。该隔膜通过多孔氟化物与金属离子的选择性配位，在隔膜-电极界面形成离子筛选层，实现对Zn²⁺和Mn²⁺迁移通量的精准调控，从而有效抑制正负极之间的离子串扰。依托其分级多孔结构构建的定向离子通道，电池在0.5 A g⁻¹条件下循环1,000次后容量保持率达到97%，显著提升了锌锰二次电池的循环稳定性。这一成果将“界面超离子导体离子通量调控”确立为高安全锌离子电池的通用设计策略，以“Hierarchical Fluorinated Polymer Separator Design Mitigating Bilateral Ionic Crosstalk in Aqueous Batteries”为题发表在Advanced Energy Materials上。上海硅酸盐所博士后韩梅与支键研究员为此论文共同第一作者，上海硅酸盐所支键研究员和加拿大滑铁卢大学/宁波东方理工大学陈璞院士为共同通讯作者。

纳米“尺寸恢复层（SRL）”界面构筑，激活固-固转换新路径

在电极界面调控方面，团队提出“尺寸恢复层（SRL）”策略，在MnO₂正极表面构筑纳米级Bi₂O₃超离子导体界面。该界面层能够通过持续释放Mn²⁺并协同锚定Zn²⁺，将传统固-固转换反应中产生的微米级反应产物转化为纳米级结构，从而显著改善离子扩散动力学并提高反应可逆性。基于该策略构建的复合电极在高面容量条件下实现超过1,000次稳定循环，在高负载铁板电池体系中亦表现出长期稳定运行能力。该成果以 “Revitalizing nanoscale solid-solid conversion enables ultrastable aqueous batteries”为题发表在期刊National Science Review上。中国科学院大学博士生孙志欣、上海硅酸盐所博士后韩梅、中国科学院大学博士生刘雨淳为此论文共同第一作者。上海硅酸盐所支键研究员、加拿大滑铁卢大学/宁波东方理工大学陈璞院士与中国科学技术大学周敏教授为共同通讯作者。

空位调控强化离子通量，革新超离子导体Zn²⁺传输性能

研究团队针对尖晶石锌锰矿（ZnMn₂O₄）正极中Zn²⁺扩散动力学受限的问题，提出空位调控策略，通过在晶体结构中构建静电屏蔽扩散通道，形成局部电荷耗竭区，有效降低Zn²⁺扩散势垒并显著提升离子扩散系数。得益于这一结构设计，ZnMn₂O₄正极容量由传统体系的约64 mAh g⁻¹提升至205 mAh g⁻¹，同时保持优异的循环稳定性，在软包电池中也展现出良好的应用潜力。相关研究以“Expedited Zn²⁺ diffusion in electrostatically shielded tunnels triples the capacity of spinel ZnMn₂O₄”为题发表于Materials Horizons。上海硅酸盐所科研助理徐子涵与博士后韩梅为此论文共同第一作者，上海硅酸盐所支键研究员为通讯作者。