近日，能源和环境科学领域国际顶级刊物《Energy & Environmental Science》（影响因子=29.518）刊登了北京大学工学院郭少军课题组和北京理工大学陈人杰课题组（共同通讯）的论文“Biomimetic ant-nest ionogel electrolyte boosts the performance of dendrite-free lithium batteries”。

图1 蚁穴离子凝胶电解质中Li+传输通道示意图

金属锂电池是最有希望的下一代高能量密度的电化学储存设备之一。然而，金属锂负极在反复充/放电过程中易产生不可控的锂枝晶，从而刺穿隔膜，导致循环寿命短和严重的安全问题。此外，金属锂负极在实际应用还存在库伦效率低的问题。对电解质进行合理的设计，可以有效解决这些关键问题。

图2 a 自然界中蚁穴的照片；b 特殊官能团修饰的SiO2骨架的SEM形貌图；c 蚁穴离子凝胶电解质合成机理；d 蚁穴离子凝胶电解质的光学照片

郭少军课题组通过借鉴自然界中蚁穴结构能够快速交换空气的特点，设计出了一种有特殊官能团修饰的SiO2为骨架的离子凝胶电解质（图1）。这种仿生离子凝胶电解质具有快速传输Li+的能力，而且能够在金属锂负极表面自发地形成颗粒富集层，从而有效地抑制锂枝晶的生长（图2）。组装成的三元电池具有约390 Wh/kg的能量密度，钛酸锂电池稳定循环3000次，库伦效率高达99.8%。该成果为利用仿生概念设计高性能的金属锂电池提供了一种新思路。

论文第一作者是工学院博士后陈楠。该研究得到了科技部重点研发计划，国家自然科学基金面上基金，中国博士后科学基金和青年人才支持。

来源：北京大学