金屬空氣電池性能優良、結構簡單、安全可靠且綠色環保，是應對當前日益嚴峻的能源問題和環境問題的優選方案，目前已引起該領域廣大科研工作者的極大興趣，有望在新能源汽車、便攜式設備、固定式發電裝置等領域獲得應用。然而，金屬空氣電池目前的實際綜合性能如循環壽命、倍率性能、能量轉換效率、安全性等方面均離實用化有很大差距。這些是金屬空氣電池在基礎理論研究和應用開發方面均進展緩慢所致。

吉林大學徐吉靜課題組長期從事新型金屬空氣電池方面的研究，致力于通過新能源材料的功能化設計、可控制備和物化特性調控，解決現有金屬空氣電池存在的關鍵科學難題，在新理論發展、關鍵材料開發和原型器件研制等方面均取得了重要進展：

（1）基于多孔能源材料，開發出對空氣穩定性高、電化學窗口寬、電導率高、安全可靠的分子篩基固態電解質新體系，解決了現有固態電解質材料的環境不穩定性和內部鋰枝晶兩大科學難題，有效推動了固態電解質材料和固態儲能電池兩大領域的實質性發展（Nature2021，592， 551）；

（2）設計與合成了包括單原子材料在內的多種新型電催化劑材料，有效改善了正極的氧還原和氧析出反應動力學，進而大幅改善了金屬空氣電池的能量轉換效率、倍率性能和循環壽命（Nat. Commun.2020，11， 2191；ACS Nano2020，14， 3281；CCS Chem.2020，2， 1764）；

（3）在國際上率先提出使用“外場輔助”提升金屬空氣電池反應動力學的新策略，為提升電極反應動力學提供新思路。并開發出多種外場輔助電催化劑材料，進一步提高電池的能量轉換效率、倍率性能和循環壽命（Adv. Mater.2020，32， 2002559；Adv. Mater.2020，32， 1907098）；

（4）基于以上關鍵材料的研發，成功構建了外場輔助固態金屬空氣電池新體系，電池可在極寒和極熱環境中實現-73oC~150oC的寬溫穩定工作，電池綜合性能穩定且安全可靠，拓展了金屬空氣電池在傳感器、軍工和航天等特殊使用場景中的應用（Angew. Chem. Int. Ed.2020，59， 19518；J. Mater. Chem. A2020，8， 14799）。

2021年，該課題組與于吉紅院士課題組在國際頂級學術期刊《Nature》聯合發表了關于高穩定柔性分子篩基固態鋰空電池的突破性研究成果。該成果創新性地研制了一種基于分子篩薄膜的新一類固態電解質材料，該電解質展現出高達2.7×10?4S cm?1的離子電導率、低至1.5×10?10S cm?1的電子電導率、以及對空氣成分和鋰負極的高度穩定性，示范性地解決了現有固態電解質材料的界面構建困難、內部鋰枝晶和穩定性差的問題，并通過原位生長策略構建了一體化柔性固態鋰空氣電池。得益于良好的“電解質-電極”低阻抗接觸界面，該電池展現出12020 mAh g?1的超高容量和149次的超長循環壽命（500 mA g?1和1000 mAh g?1），優于基于當前最穩定的LAGP固態電解質的固態鋰空氣電池（12次）；同時，該電池展現出優異的柔性、高的安全性和良好的環境適應性。分子篩固態電解質的應用有望拓展到鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池、鈉空氣電池等固態儲能體系，展現出廣闊的應用前景。該工作新型分子篩固態電解質的成功制備和電池一體化集成思想，為固態電解質材料和固態儲能器件的發展提供了新思路。

該工作成功研制了一種基于分子篩薄膜的全新固態電解質材料，在保證鋰離子傳導的同時，示范性地解決了現有固態電解質材料的空氣穩定性差、內部鋰枝晶和界面構建困難等問題，并通過原位生長策略構建了柔性固態鋰空氣電池。得益于良好的“電解質-電極”低阻抗接觸界面，該電池展現出優異的電化學性能、良好的柔性、環境適應性和安全性。同時，分子篩固態電解質的應用還可以拓展到鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池、鈉空氣電池等儲能體系，展現出重要的應用前景。該研究成果有效推動了固態電解質材料和固態儲能電池的創新發展。

鋰空氣電池由于具有超高的理論能量密度，被譽為變革性電池技術。然而，傳統鋰空氣電池中有機電解液的使用所導致的電池的安全性差、正極副產物累積、以及金屬鋰負極的枝晶和粉化等問題嚴重制約了其發展和實際應用。開發以固體電解質為核心部件的固態鋰空氣電池是解決上述問題的有效途徑。而適用于固態鋰空氣電池中的固態電解質材料，除滿足高離子電導率和良好的界面相容性外，還應滿足：對空氣成分穩定，使電池能夠在環境空氣中運行；抗氧化能力強，以抵抗電池運行過程中產生的具有強氧化能力的氧還原中間體的腐蝕。遺憾的是，目前常見的無機固態電解質種類，如石榴石（對水和CO2敏感）、鈣鈦礦（對Li不穩定和固有不穩定）、NASICON（對Li不穩定）和硫化物（對H2O和O2敏感）等，不能滿足固態鋰空氣電池實際運行的要求。更嚴重的是，一些固態電解質較高的電子電導率使金屬鋰易在電解質內部成核、結晶，導致電池短路進而引發安全事故。此外，固態電解質的高成本也嚴重限制了固態鋰空氣電池的規模化生產。因此，為固態鋰空氣設計一種同時實現高環境適應性和優異電化學性能的新型固體電解質材料是十分迫切的，且面臨嚴峻的挑戰（見圖一）。

圖一：固態鋰空氣電池存在的核心挑戰及本研究工作的解決策略

在此，先進能源與環境材料團隊設計研制了一種基于分子篩薄膜的全新固態電解質材料，由于合理的孔道結構和豐富的低活化能位點鋰離子的分布，該分子篩膜固態電解質展現出高達2.7×10?4 S cm?1的離子電導率、低至1.5×10?10 S cm?1的電子電導率、以及對空氣成分和鋰負極的高度穩定性，有效解決了現有固態電解質材料的界面構建困難、內部鋰枝晶和穩定性差等問題。同時，通過原位生長/組裝策略對分子篩膜固態電解質與電極材料進行一體化設計，構筑了低阻抗、高度穩定的電極-固態電解質界面，大幅提升鋰離子的傳質。基于以上分子篩固態電解質的固態鋰空氣電池能夠在環境空氣中同時實現12020 mAh g?1的超高容量和149次的超長循環壽命（500 mA g?1和1000 mAh g?1），遠優于商用LAGP基固態鋰空氣電池（12次），甚至優于同等條件下使用有機液態電解液的鋰空氣電池（102次）（見圖二）。

圖二：電極/電解質界面設計與固態鋰空氣電池的循環壽命

該電池展現出優異的柔性、高的安全性和良好的環境適應性（見圖三），并兼顧環境友好、成本低廉、工藝簡單的生產需求。分子篩固態電解質的應用還有望拓展到鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池、鈉空氣電池等固態儲能體系，展現出廣闊的應用前景。新型分子篩固態電解質的成功研制，為固態電解質材料和固態儲能器件的發展提供了新思路。

圖三：分子篩電解質固態鋰空氣電池的柔性、安全性和應用展示

相關的研究成果近期發表在Nature雜志上，第一作者為吉林大學未來科學國際合作聯合實驗室博士生遲茜文，通訊作者為吉林大學未來科學國際合作聯合實驗室于吉紅教授和徐吉靜教授。

審核編輯 ：李倩