随着电化学储能和神经形态计算的需求不断增长，快速离子传输行为在基础研究和实际应用层面都引起了广泛的关注。
2025年1月6日，北京航空航天大学宫勇吉教授、孙志梅教授、翟朋博博士和电子科技大学向勇教授团队在国际顶级期刊Advanced Materials发表题为《Ultrafast Lithium-Ion Transport Engineered by Nanoconfinement Effect》的研究论文，Yahan Yang和Zefeng Li为论文共同第一作者，宫勇吉教授、孙志梅教授、翟朋博博士和向勇教授为论文共同通讯作者。
在这里，作者基于氧化石墨烯层状膜（GOLMs）的纳米限制通道，实现了通常超过102 mS cm-1的锂离子电导率，比传统液体或固体锂离子电解质高1-3个数量级。
具体而言，纳米六氟磷酸锂（LiPF6）-碳酸亚乙酯（EC）/碳酸二甲酯（DMC）电解质的离子电导率为170 mS cm-1，比固态电解质高约16倍。在-60 ℃的超低温下，纳米电解质保持了11 mS cm-1的实用电导率。此外，原位实验和理论骨架能够将增强的离子电导率归因于GO纳米通道中高表面电荷和纳米限制效应引起的逐层阳离子和阴离子分布。更重要的是，将这种快速的锂离子传输纳米通道集成到LiFePO4（LFP）正极中，显著提高了锂电池的高倍率和长循环性能。这些结果展示了纳米限制电解质打破常规的离子电导率，激发了基于2D纳米限制通道的超快离子输运路径的开发，以实现高效的能量存储应用。
图1：GOLMs的表征
图2：离子电导率和电解质表征
图3：理论计算分析
图4：间距影响的研究
图5：电解质的低温特性
图6：电池的电化学性能
综上，通过对GOLMs二维纳米通道中离子传输行为的系统研究，作者实现了超高离子电导率，通常超过102 mS cm-1，与它们对应的固体电解质相比提高了至少1个数量级。
此外，在-60 ℃的超低温下，纳米电解质也保持理想的电导率。
MD模拟和原位实验表明，氧化石墨烯表面电荷和纳米限制效应诱导阳离子和阴离子的交替排列是离子电导率显著增强的主要原因。
最后，通过在LiFePO4正极中引入这种锂离子传输途径，锂电池的倍率性能和长循环性能得到了显著提高。
作者提出了基于纳米限制效应构建超快离子输运途径的新方法，但在超快离子输运电池的实际应用中仍需进一步研究。
总的来说，纳米限制离子动力学的理解和纳米限制电解质的合理设计，在未来高效电化学能量存储和转换的发展中，可能为研究其他具有不同纳米通道设计的二维纳米材料打下基础。
Ultrafast Lithium-Ion Transport Engineered by Nanoconfinement Effect. Advanced Materials, 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202416266.
