综述：激光诱导石墨烯作为用于能量存储、转换和收集应用的“材料工具箱”

《Journal of Energy Chemistry》：Laser-induced graphene as a “materials toolbox” for energy storage, conversion and harvesting applications

液态晶体弹性体（LCE）电解质因低离子电导率和界面不稳定性制约其应用，本研究通过引入锂交换13X分子筛（LiX）构建有机-无机复合电解质，利用LiX的三维孔道实现锂离子纳米通道传导，表面硅醇基团通过配位作用促进盐分解并提高电荷转移数至0.72，同时形成LiF富集SEI层抑制枝晶生长。优化复合电解质（LPE-LiX-5%）在25℃时离子电导率达2.45×10?3 S/cm，Li//Li对称电池循环超800小时，LiFePO?//Li全电池循环1000次后容量保持90%。

　　固态锂金属电池（SSLMBs）因其高理论容量（3860 mAh g?1）而备受关注，成为高能量密度和内在安全储能系统的重要发展方向。然而，常规固态电解质（SSEs）在实际应用中面临诸多挑战，特别是低离子电导率、锂枝晶的生长以及金属负极界面的不良反应。这些问题不仅限制了电池的循环寿命，还带来了显著的安全隐患。为了克服这些瓶颈，研究者们不断探索新型电解质材料，以提升其性能并实现更稳定、更安全的运行。

在众多候选材料中，液态晶体弹性体（LCEs）因其独特的自组装特性而展现出巨大的潜力。LCEs 可以形成一维到三维的纳米通道，这在一定程度上提高了离子传输效率。此外，其非易燃性和良好的机械稳定性也使其在安全性能方面优于传统液态电解质。然而，尽管 LCEs 具备诸多优势，其在实际应用中仍存在两个关键性问题：一是其离子电导率较低（在常温下低于 10?? S cm?1），这限制了电池的功率密度和能量密度；二是其界面稳定性不足，难以有效抑制锂枝晶的形成及相关副反应。因此，如何提升 LCEs 的离子电导率和界面稳定性成为当前研究的重点。

为了解决这些问题，研究团队提出了一种有机-无机复合电解质的设计策略，通过将锂交换的 13× 分子筛（LiX）引入 LCE 矩阵中，实现对 LCE 电解质性能的优化。LiX 分子筛具有高度有序的三维纳米孔结构和可调节的表面化学性质，使其成为一种先进的功能性填料。其内在的多孔结构为锂离子提供了更多的扩散通道，而其表面丰富的硅醇基团（Si-OH）则可作为强路易斯酸位点，通过与阴离子（如 TFSI?、PF??）的路易斯酸碱相互作用，促进锂盐的解离，释放自由移动的锂离子，从而显著提升离子电导率。此外，LiX 的均匀分散还能促进富含 LiF 的固体电解质界面（SEI）的形成，这对于稳定锂金属负极界面、抑制锂枝晶的生长具有重要意义。

研究结果显示，优化后的复合电解质（LPE-LiX-5%）在常温下（25°C）表现出显著提升的离子电导率（2.45 × 10?3 S cm?1）和较高的锂离子迁移数（t??? = 0.72）。这一性能的提升使得 Li//Li 对称电池在超过 800 小时内保持超高稳定性，同时 LiFePO?//Li 全电池在 1C 的条件下经过 1000 次循环后仍能保留 90% 的容量。这些结果表明，将路易斯酸性、锂离子导电性的分子筛引入有序 LCE 矩阵中，能够有效提升电解质的性能，为开发安全、耐用的 SSLMBs 提供了一种可行的解决方案。

在材料选择方面，研究团队采用了多种关键成分。其中，RM257 是一种液态晶体单体，具有良好的自组装能力；EDDET 是一种链延长剂，用于调节 LCE 的分子结构；[EMIM][TFSI] 是一种离子液体，提供了良好的电解质环境；LiTFSI 是一种锂盐，用于增强电解质的离子传输能力；Irg184 是一种光引发剂，用于促进 LCE 的交联。此外，LiX 分子筛的制备涉及钠铝酸盐（NaAlO?）、钠氢氧化物（NaOH）、钠硅酸盐（Na?SiO?·9H?O）以及四乙基铵氢氧化物（TEAOH）等化学物质。通过合理的化学处理和物理方法，研究团队成功制备了具有优异性能的 LiX 分子筛，并将其均匀分散到 LCE 矩阵中，从而构建了高性能的复合电解质。

为了验证复合电解质的性能，研究团队进行了系统的制备与表征工作。通过图示（图1）展示了 LPE-LiX 复合固态电解质的制备过程。首先，将 RM257、EDDET、[EMIM][TFSI]、LiTFSI 和光引发剂混合，形成均匀的溶液。随后，通过超声处理将 LiX 分子筛均匀分散到该溶液中，确保其在 LCE 矩阵中的良好分布。这一过程不仅提升了电解质的离子电导率，还增强了其界面稳定性。通过进一步的实验分析，研究团队确认了 LiX 分子筛在复合电解质中的关键作用，即其三维孔结构和锂离子交换能力共同作用，形成了高效的锂离子导通通道，而其丰富的硅醇基团则通过与阴离子的路易斯酸碱相互作用，显著提升了锂盐的解离效率。

此外，研究团队还对复合电解质的性能进行了详细评估。在电化学测试中，Li//Li 对称电池表现出极高的稳定性，能够在 800 小时内保持无枝晶生长的状态。这一结果表明，LiX 分子筛的引入有效抑制了锂枝晶的形成，提升了电池的安全性。同时，LiFePO?//Li 全电池在 1C 的条件下经过 1000 次循环后仍能保留 90% 的容量，显示出优异的循环性能。这表明，LiX 分子筛不仅提升了电解质的离子电导率，还增强了其在电池中的稳定性，为开发高性能的 SSLMBs 提供了重要的技术支持。

在实际应用中，这种有机-无机复合电解质展现出广阔的应用前景。其优异的离子电导率和界面稳定性不仅适用于 LiFePO?//Li 全电池，还可能扩展到其他类型的锂金属电池，如高镍正极材料或硅碳负极材料。此外，LiX 分子筛的引入还可能对其他类型的固态电解质材料产生积极影响，例如聚合物基电解质或氧化物基电解质。通过进一步的优化和研究，有望开发出更高效、更稳定的电解质体系，以满足不同应用场景的需求。

综上所述，这项研究通过将锂交换的 13× 分子筛引入液态晶体弹性体（LCE）矩阵中，成功设计出一种高性能的有机-无机复合电解质。该电解质在离子电导率、锂离子迁移数和电化学稳定性方面均表现出显著优势，为开发安全、耐用的 SSLMBs 提供了新的思路。未来，研究团队将继续探索该复合电解质在不同电池体系中的应用，并进一步优化其性能，以推动固态锂金属电池技术的发展。