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近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳萍、何騰、于洋團(tuán)隊(duì)與廈門大學(xué)吳安安副教授合作，在固態(tài)電池領(lǐng)域取得重要突破，成功開發(fā)出堿金屬羥基吡啶鹽類新材料，其中間位羥基吡啶鉀鹽展現(xiàn)出優(yōu)異鉀離子傳導(dǎo)性能，可作為高性能固態(tài)電解質(zhì)，相關(guān)成果發(fā)表于國際頂級期刊《美國化學(xué)會志》，為低成本、高安全全固態(tài)鉀金屬電池開辟了全新技術(shù)路徑。

該研究團(tuán)隊(duì)長期深耕金屬有機(jī)化合物儲氫材料領(lǐng)域，此前已在苯酚鹽、羥基吡啶鹽等體系積累了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)，并創(chuàng)新性提出中性分子輔助陽離子傳導(dǎo)策略，在固態(tài)離子傳導(dǎo)方向?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)突破。

隨著研究深入，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)部分金屬有機(jī)化合物的陰離子可形成二維層狀或三維骨架結(jié)構(gòu)，為陽離子傳輸提供天然通道，但受限于陰陽離子作用過強(qiáng)或陽離子空位缺失，難以實(shí)現(xiàn)高效傳導(dǎo)。在本次工作中，研究團(tuán)隊(duì)從分子設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，通過在苯酚環(huán)中引入氮原子，精準(zhǔn)構(gòu)建鉀離子非飽和配位環(huán)境，并系統(tǒng)調(diào)控羥基取代位置，合成鄰位、間位、對位三種羥基吡啶鉀異構(gòu)體，經(jīng)過多輪性能測試與結(jié)構(gòu)表征，最終確定間位羥基吡啶鉀為最優(yōu)電解質(zhì)材料。

該材料在無需中性分子輔助的條件下，含1%鉀空位的樣品在90°C時(shí)離子電導(dǎo)率可達(dá)0.22mScm?1，離子遷移數(shù)高達(dá)0.99，理論計(jì)算證實(shí)，其高效傳導(dǎo)依托層狀柔性結(jié)構(gòu)中的空位傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)，離子遷移路徑清晰且動力學(xué)穩(wěn)定，大幅超越傳統(tǒng)鉀離子固態(tài)電解質(zhì)水平。

除了出色的離子傳導(dǎo)性能，這款新型金屬有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)還兼具多重產(chǎn)業(yè)化友好特性，材料具備良好熱穩(wěn)定性與空氣穩(wěn)定性，不易燃、安全性突出，同時(shí)擁有低楊氏模量，可通過冷壓成型加工，機(jī)械性能適配全固態(tài)電池規(guī)模化制備需求，有效解決傳統(tǒng)無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)脆性大、界面接觸差的行業(yè)痛點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)基于該電解質(zhì)成功組裝全固態(tài)鉀金屬電池，完成關(guān)鍵性能驗(yàn)證，標(biāo)志著從材料創(chuàng)新到器件集成的完整技術(shù)鏈條已初步打通。與氧化物、硫化物等傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)相比，此類金屬有機(jī)化合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、合成條件溫和、原材料成本低廉，更適合大規(guī)模量產(chǎn)，同時(shí)規(guī)避了液態(tài)電解質(zhì)漏液、燃燒等安全風(fēng)險(xiǎn)，完美契合動力電池、大規(guī)模儲能等場景對安全性與經(jīng)濟(jì)性的雙重要求。

當(dāng)前全球固態(tài)電池競爭日趨激烈，鋰基路線受資源約束與成本壓力影響，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程面臨多重挑戰(zhàn)，開發(fā)資源可持續(xù)、低成本的新型電池體系已成為行業(yè)共識。

鉀金屬電池憑借鉀資源儲量豐富、電極電勢較低、電化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，被視作鋰體系的重要補(bǔ)充，而全固態(tài)構(gòu)型進(jìn)一步放大其安全與壽命優(yōu)勢，此次我國團(tuán)隊(duì)在金屬有機(jī)鉀離子固態(tài)電解質(zhì)上的突破，不僅填補(bǔ)了該領(lǐng)域技術(shù)空白，更建立起分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與離子傳導(dǎo)性能關(guān)聯(lián)的全新準(zhǔn)則，為后續(xù)材料迭代提供理論指導(dǎo)。

從科研價(jià)值來看，該成果深化了金屬有機(jī)化合物在固態(tài)離子傳導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用認(rèn)知，拓展了固態(tài)電解質(zhì)材料體系；從產(chǎn)業(yè)前景來看，新材料兼顧高離子傳導(dǎo)、高穩(wěn)定性與易加工特性，有效破解全固態(tài)鉀電池產(chǎn)業(yè)化的核心瓶頸，為低成本、長壽命、高安全儲能技術(shù)提供新選擇。