锂离子电池固态电解质结构和传导机理的多维超快光谱研究

The development of solid state electrolytes is very promising and benefits the next generation of lithium ion batteries. However, the migration and conduction mechanism of lithium cation in solid state electrolytes remains unclear. The microscopic structure of lithium ion in the solid state electrolyte is not only important to understand the lithium conduction mechanism, but also critical to explore better solid state electrolyte candidates. In this proposal, we utilize the multiple-dimensional ultrafast Infrared spectroscopy and sum frequency generation to study the structure and dynamics of solid state electrolytes doped with lithium ion. The solvation structure of a series of lithium salts, three dimensional molecular conformations of solid state electrolytes and their interfacial structure at electrochemical interfaces will be experimentally determined. We are able to reveal the lithium conduction mechanism in the solid state electrolytes. Furthermore, we can obtain a clear understanding of governing factors that affect the lithium ion conductivity at the microscopic molecular level. The results are expected to provide theoretical foundation for design of new generation all-solid-state lithium ion batteries.

固态电解质是新一代锂离子电池发展的重要方向，然而到目前为止，锂离子在固态电解质中的导电迁移机理仍然不甚明了。获得锂离子在固态电解质中的微观结构对我们理解锂离子在固态电解质中的传导机制，并探索更为优良的固态电解质具有十分重要的意义。本项目提出了将多维超快红外光谱和和频振动光谱方法用于研究锂离子固态电解质的结构和动力学。通过研究一系列不同锂盐在固态电解质中的溶剂化结构、固态电解质三维构象及电化学界面结构，揭示锂离子在固态电解质传导的微观机理，并从分子层次阐述决定不同锂离子固态电解质电导率大小的关键因素，为成功设计新一代锂离子全固态电解质提供理论支持。

本项目利用前期自主搭建的多维超快振动光谱系统对固态锂离子电池电解质、浓溶液盐水电解质、受限体系离子的溶剂化结构和超快动力学进行了系统研究，揭示了复杂凝聚相体系的离子迁移动力学和基于主客体相互作用的离子识别结构动力学。实验上测量了锂离子在丁二腈塑性分子中的溶剂化结构，通过转动动力学和超快二维红外光谱研究了锂离子在固态电解质中的离子迁移过程。以阴离子硫氰酸根为局部红外探针，研究了浓溶液LiTFSI水溶液中锂离子的溶剂化结构和锂离子的超快结构动力学，结合转动动力学和光谱扩散动力学详细分析了浓溶液盐水电解质的微观结构。首次利用超快红外光谱开展了碱金属阳离子与冠醚体系的结构动力学研究，从超快结构动力学的角度揭示冠醚对金属阳离子结合选择性的起源。利用超快红外光谱研究了溶液中杯[4]吡咯主体分子识别N3-的超快动力学过程，为理解受限体系阴离子识别的动力学的微观机理提供了有益的动力学数据及研究思路。本项目在国际重要学术期刊上发表学术论文14篇，4次受邀在国际和国内学术会议上做报告。培养了8名硕士，其中1名硕士生获得留学基金委公派留学项目赴德国攻读博士学位。