基于SiC纳米复合电解质膜的锚定阴离子位点设计实现无枝晶固态锂金属电池

为解决PEO基固态聚合物电解质(SPE)离子电导率低、电极-电解质界面兼容性差等问题，山西团队通过SiC纳米颗粒表面羟基化及TPA接枝的双阶段工程策略，开发出SiC-g-TPA/PEO复合电解质。该材料通过氢键锚定TFSI-阴离子，实现2.59×10-3 S cm-1的高离子电导率和0.48的Li+迁移数，组装的LFP//Li电池在200次循环后仍保持142.9 mAh g-1的容量，为高安全性固态电池开发提供新思路。

　　

在能源存储领域，固态锂金属电池(SSLMB)因其理论能量密度高达3860 mAh g^-1和安全性能突出，被视为下一代储能技术的"圣杯"。然而，作为核心部件的固态聚合物电解质(SPE)却面临两大"卡脖子"难题：一方面，主流聚乙烯氧化物(PEO)基电解质因高结晶度导致室温离子电导率不足；另一方面，无机填料与聚合物基体的"貌合神离"——简单物理混合易引发纳米颗粒团聚，严重阻碍锂离子(Li⁺)传输。更棘手的是，电极-电解质界面的"鸡同鸭讲"会导致锂枝晶生长，犹如在电池内部埋下"定时炸弹"。

针对这些挑战，山西省科技厅资助项目团队创新性地将目光投向碳化硅(SiC)纳米材料。这种传统工业陶瓷材料因其独特的半导体特性，在能源领域长期被忽视。研究人员通过"先羟基化后嫁接"的分子手术，对SiC纳米颗粒进行精准改造：首先采用球磨-高温氧化"组合拳"在SiC表面植入羟基(-OH)，随后通过水解缩合将3-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(TPA)共价接枝，构建出具有"分子刷"结构的SiC-g-TPA杂化填料。

这项发表于《Journal of Membrane Science》的研究，揭示了纳米填料表面化学修饰的"四两拨千斤"之效。研究团队采用X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实了TPA的成功嫁接，差示扫描量热法(DSC)显示复合材料的结晶度从纯PEO的62.1%降至45.3%。更巧妙的是，表面保留的羟基作为路易斯酸位点，与双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)中的TFSI^-阴离子形成氢键网络，这种"分子锚定"效应使Li⁺迁移数提升67%，达到0.48。

【关键技术】
研究通过球磨-高温氧化协同羟基化、TPA水解缩合嫁接制备SiC-g-TPA填料；采用溶液浇铸法制备PEO基复合膜；通过电化学阻抗谱(EIS)测试离子电导率；利用计时电流法测定Li⁺迁移数；组装LFP//Li半电池评估电化学性能。

【主要发现】

1. 结构表征：XPS证实SiC-g-TPA中Si-O-C键形成，TPA接枝量达11.2wt%；FTIR显示1710cm^-1处出现酯基特征峰。
2. 电化学性能：80℃下离子电导率较纯PEO提升两个数量级，电化学稳定窗口拓宽至5.46V；恒流极化测试显示界面阻抗稳定维持600小时。
3. 电池性能：0.5C倍率下首圈放电容量达150.1mAh g^-1，200次循环后容量保持率91.3%；扫描电镜(SEM)证实锂负极无枝晶形成。

这项研究开创性地将宽禁带半导体SiC转化为高性能电解质填料，其创新点在于：一是提出"羟基锚定阴离子"机制，通过氢键作用抑制阴离子迁移；二是建立"接枝分子刷"结构，实现纳米填料在聚合物基体中的"分子级分散"。这种"一石二鸟"的设计策略，不仅为破解固态电池界面难题提供新思路，更拓宽了第三代半导体材料在能源领域的应用场景。正如研究者所言："我们让绝缘的SiC颗粒变身离子导体，这就像给陶瓷插上翅膀。"该技术已申请专利，有望推动高能量密度固态电池的产业化进程。