21世纪上半世纪见证了对可持续性、高效的、低廉的新能源的需求的极具增长，这也对高性能的能量存储和转换技术的开发提出了迫切的需求。对于能量存储而言，最重要的一个参数是如何在实现能量密度最大化的前提下保证价格及安全性，锂离子电池最为过去近几十年的储能领域的主导者，但其仍然存在一些无法忽视的诸如较低能量密度、安全性等担忧，目前采用金属负极可以在一定程度上提升其能量密度，但是由固液界面稳定性及枝晶生长带来的关键问题限制了其实际的应用。相比较而言，采用固态电解质的固态电池可以有效解决目前基于液态电解液的锂离子电池的瓶颈问题，并逐步进入研究者，企业界的视野，而成为后锂离子电池时代的佼佼者。虽然目前多种固态电解质已经被开发并证明具有很高的潜力，但是室温下的离子电导率仍然比较低，并且固-固界面难以调和的界面阻抗仍然是限制电池循环稳定性的关键因数。近日，新加坡国立大学John Wang院士与A*STAR超算中心Yong-Wei Zhang教授课题组合作，提出一种凝聚态型的框架电解质，成功将分子之间的弱相互作用引进zeolite框架中，在埃级的范围内，研究了溶剂分子和框架的相互作用，以及分子与离子的相互作用（如图1所示），发现了离子在无机zeolite框架不同尺域下的扩散机理，明确了其极低扩散能垒的起源，为设计下一代高性能电解质提供了典型案例。并且作者也基于此电解质成功设计出室温下可长循环的固态电池，基于正极材料的能量密度可以达到390 Wh kg^-1, 每圈衰减率仅为千分之0.03。

图1. 在亚纳米尺度中具有3D离子通道的网络中独特离子扩散行为的示意图 （区别于液体或常规陶瓷固体电解质）

具体地，如图2所示，研究人员通过电化学方法对原始电解质进行激活，将有机分子及锂离子在电压的驱动下成功引入到埃级的通道中，电化学阻抗谱测试显示，其室温下具有接近5*10^-4 S cm^-1的离子电导率，并且其激活能低至0.179 eV。相比于液相的有机分子电解液，其电压窗口拓展至接近5 V（图3），为基于高电位正极材料的固态电池奠定了基础。得益于优异的电解质性能，由锂-锂对称电极构成的对称电池具有优异的循环稳定性。值得关注的是，本工作中开发的框架电解质在具有优异电化学性能的同时，还具有一定的抗燃性，对基于框架电解质的固态电池的安全打下了坚实的基础。

图2. 基于Zeolite的框架电解质（FEs）的激活过程，以及室温离子电导率测试。

图3. 电解质激活能、电压稳定窗口测试，以及对称锂金属循环性测试，及抗燃性测试

在获得优异的电化学性能的基础之上，研究人员对分子与框架，分子与离子之间的相互作用进行了谱学的表征。如图4所示，红外光谱显示有机分子团鱼框架存在很强的相互作用，并且这种很强的相互作用有效地封锁住Zeolite框架中的活性点，降低了后续Li+进入通道中被框架活性点捕获而失去活性的可能性.拉曼光谱显示，有机分子和Li+之间存在弱相互作用，正是弱相互作用的存在，导致了所涉及的电解质具有很低的激活能。分子动力学模拟显示，在所选择的具有5埃大小的Zeolite孔导中，有机分子与锂离子最有可能得存在配对是3LiPF 6 + 4EC + 3DMC。进一步地计算表明，锂离子是埃级孔道中唯一可以长距离迁移的离子。并且在不同的尺域下表现出沿壁迁移和静电力排斥协助迁移机制（如图5所示）。

图4. 红外光谱及拉曼光谱表征，以及不同分子与离子相互作用的分子动力学计算。

图5. 分子动力学模拟及锂离子在不同尺域下的扩散能垒研究。

最后，研究人员基于所设计的电解质，成功组装了基于磷酸铁锂正极的固态电池，电池测试结果表明所制备的固态电池具有突出的循环稳定性，在室温下，可以获得395 Wh kg^-1的能量密度，并且每一圈衰减率只有千分之0.03。