室温下较低的电导率限制了固态电池中固体聚合物电解质（SPE）的商业应用。目前，有大量的实验研究将纳米粒子填充到 SPE 中，从而增加其电导率。然而，关于纳米颗粒填料对 SPE 传输特性影响机理的研究还很少。

因此，天津大学焦魁、杜青课题组采用分子动力学（MD）模拟方法研究了填充不同质量分数 Al₂O₃ 纳米颗粒的 PEO/LiTFSI 电解质的电导率，同时研究了不同 PEO 链长以及不同温度下 Al₂O₃ 纳米颗粒对 SPE 电导率的影响，并从微观角度分析了锂离子扩散系数提高的原因。该成果以“Lithium ion transport in solid polymer electrolyte filled with alumina nanoparticles”发表于学术期刊 Energy Advances。

本文中首先搭建了 PEO/LiTFSI 电解质分子模型，并对电导率和锂离子扩散系数与实验进行了验证，以证明选用力场的准确性。之后通过 Nernst–Einstein 方程计算了不同 Al₂O₃ 质量分数下 SPE 的电导率，并将不同 PEO 链长和不同温度下的电导率进行了对比，结果如图 1 所示。结果表明，在较低温度下，Al₂O₃ 纳米颗粒对较长 PEO 链的 SPE 电导率增强作用更为显著。

本研究计算了锂离子与 PEO 的径向分布函数和配位数以分析影响电导率性能差异的原因。结果表明，纳米颗粒的加入使得 Li⁺ 离 PEO 链更近，离 TFSI^–  更远，因此 Li⁺ 沿 PEO 链的输运增强，从而导致电导率增加。同时锂离子与 PEO 的配位数增加说明了 Al₂O₃ 的加入增强了锂离子沿 PEO 链的输运。

为了分析 SPE 的结构性质，我们计算了其玻璃转化温度，并发现纳米颗粒加入后，SPE 的玻璃转化温度降低，表明 SPE 中无定形区域增加，使得 PEO 链更加灵活，从而使 Li⁺ 更容易传输。

此外，我们总结了纳米颗粒增强 Li⁺ 传输的机理，如图 2 所示。MD 模拟结果表明，Al₂O₃ 的加入使得 PEO 结晶区减少，有序度提高，从而增强了 Li⁺ 沿 PEO 链的传输（Path 1，SPE 中 Li⁺ 主要的传输方式）。同时，我们发现了在 Al₂O₃ 与 PEO 链的界面处产生了新的 Li⁺ 传输路径（Path 2），这是 SPE 电导率提高的主要原因之一。

本文通过分子动力学模拟的方法研究了 Al₂O₃ 填充 SPE 的传输特性和结构特性。结果表明，在较低温度下，Al₂O₃ 纳米颗粒对较长 PEO 链的 SPE 电导率增强作用更为显著。同时，从微观角度揭示了纳米颗粒增强传输特性的机理，此研究可用于知道新型的固态电池固体聚合物电解质设计。

• Lithium ion transport in solid polymer electrolyte filled with alumina nanoparticles
  Jiaqi Wang, Linhao Fan, Qing Du* (杜青，天津大学) and Kui Jiao* (焦魁，天津大学)
  Energy Adv., 2022
  http://doi.org/10.1039/D2YA00025C

  

• 王家歧 天津大学
  2019 年本科毕业于南京理工大学新能源科学与工程专业，同年加入天津大学机械工程学院焦魁教授、杜青教授课题组就读硕博连读生，主要研究方向为固态电池电解质微纳尺度传热传质。

• 杜青 天津大学
  天津大学教授，博士生导师，主要从事燃料电池传热传质、内燃机燃烧过程和非牛顿流体射流破碎等方面的研究工作。承担了国防 973、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等项目，作为研究团队成员获得军队科技进步二等奖。建立了天津大学燃料电池研究团队和液体射流破碎研究团队，搭建了相关的仿真和实验研究平台和相应的仿真及实验研究体系。2006 年获得“中国内燃机学会创新人才奖暨史绍熙人才奖”。

• 焦魁 天津大学
  天津大学教授、博士生导师，中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员，英国皇家化学学会会士，英国工程技术学会会士，“Energy and AI”与“International Journal of Green Energy”国际学术期刊副主编，“IEEE Transactions on Transportation Electrification”, “Applied Energy”, “Scientific Reports”等期刊编委。长期从事燃料电池领域的教学和科研工作，主要讲授“燃料电池科学与技术”、“燃气叶轮机械原理”、“能源与人工智能”等课程，致力于激发同学们对燃料电池和能源与人工智能的学习兴趣。主持国家优秀青年基金、重点研发计划课题等项目30余项，授权发明专利和软件著作权 30 余项，开发了具有完整自主知识产权的燃料电池仿真平台，应用于上汽、德国博世等 20 余家企业。发表期刊论文 200 余篇，以第一和通讯作者在 Nature 撰写长文“Designing the Next Generation of Proton-Exchange Membrane Fuel Cells”，阐明了未来 10-20 年燃料电池发动机技术路线。