北理工課題組在高比能全固態(tài)鋰離子電池研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-12-13 供稿：材料學(xué)院 李麗 攝影：材料學(xué)院
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12月7日,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院李麗教授,、吳鋒院士課題組在高比能全固態(tài)鋰離子電池研究中取得重要進(jìn)展，對(duì)高鎳正極設(shè)計(jì)了一種競(jìng)爭(zhēng)摻雜策略,，成功實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)原子(Ta)對(duì)高鎳正極的體相摻雜,，以及壓電材料(LiNbO3)對(duì)高鎳正極進(jìn)行表面修飾,，同時(shí)提升了高鎳正極的內(nèi)稟穩(wěn)定性以及其與硫化物固態(tài)電解質(zhì)的界面兼容性,，顯著提升了全固態(tài)電池的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)成果發(fā)表以“Chemical Competing Diffusion for Practical All-Solid-State Batteries”為題發(fā)表于Journal of the American Chemical Society,。北京理工大學(xué)材料學(xué)院2022級(jí)博士研究生代中盛為第一作者,，博士后研究員孫璇為共同第一作者。
日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題促進(jìn)了人們對(duì)先進(jìn)能源材料的探索和開發(fā),。鋰離子電池作為一種新型儲(chǔ)能裝置,，已成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)。目前基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的循環(huán),，并且部分固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率也與液態(tài)電解質(zhì)相當(dāng),。然而，高比能高鎳正極匹配硫化物固態(tài)電解質(zhì)時(shí)發(fā)生的一系列失效反應(yīng)嚴(yán)重阻礙了全固態(tài)電池的循環(huán)壽命,。首先,，高鎳正極內(nèi)稟的低穩(wěn)定性造成了其晶體結(jié)構(gòu)的快速破壞；其次,，高鎳正極析出的氧氣不僅造成其本身發(fā)生界面相變,，也造成了其對(duì)固態(tài)電解質(zhì)的化學(xué)氧化,；另外，高鎳正極與電解質(zhì)固-固界面的低兼容性形成的空間電荷層也嚴(yán)重阻礙了離子輸運(yùn),。
鑒于此,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院李麗教授、吳鋒院士課題組提出了一種利用競(jìng)爭(zhēng)摻雜的方式穩(wěn)定高鎳正極進(jìn)而提升其與固態(tài)電解質(zhì)表面兼容性的策略,。具體來(lái)說(shuō),，由于高鎳正極前驅(qū)體在拓?fù)滗嚮^(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)渡金屬空位有限，因此Ta和Nb原子在摻雜過(guò)程中表現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)特性,。在本工作中,，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Ta更容易摻雜進(jìn)入高鎳正極，由于其與氧有更高的鍵能,，防止了氧在高電壓下的過(guò)度氧化,，顯著提升了高鎳正極的穩(wěn)定性。此外,，Nb易于和表面殘鋰發(fā)生反應(yīng),，生成具有壓電特性的鈮酸鋰，有效了增加了其與固態(tài)電解質(zhì)的界面兼容性,，提升了其電化學(xué)性能,。
圖一 (A) 壓電材料(LiMO3, M="""Ta/Nb)極化機(jī)制；(B)""" 全固態(tài)模具電池的循環(huán)性能,；(C) 全固態(tài)軟包電池的循環(huán)性能,；(D、E ) 改性前后鋰濃度分析,。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c11645
面對(duì)廢舊電池回收處理與資源循環(huán),、高比能二次電池關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)等，李麗教授課題組取得了系列科研成果,。十篇代表性工作如下：
1. Defective oxygen inert phase stabilized high-voltage nickel-rich cathode for high-energy lithium-ion batteries. Nat. Commun. 14, 8087 (2023). (第一作者：代中盛博士生)
2. Chemical competing diffusion for practical all-solid-state batteries. J. Am. Chem. Soc. Doi: 10.1021/jacs.4c11645 (第一作者：代中盛博士生)
3. Regulating Sulfur Redox Kinetics by Coupling Photocatalysis for High-Performance Photo-Assisted Lithium-Sulfur Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202402624. (第一作者：劉毓皓博士生)
4. Fluorinated Surface Engineering Towards High-Rate and Durable Potassium-Ion Battery. Angew. Chem. Int. Ed . 2024, 63, e202404332(第一作者：張喜雪博士生)
5. Screening metal cation additives driven by differential capacitance for Zn batteries,， Energy Environ. Sci. 2024, 17, 4794–4802 (第一作者：胡正強(qiáng)博士生)
6. Carbon neutrality strategies for sustainable batteries: from structure, recycle, property to application. Energy Environ. Sci. 2023, 16, 745-791. Doi: 10.1039/d2ee03257k (第一作者：林嬌博士)
7. A Self-Regulated Electrostatic Shielding Layer toward Dendrite-Free Zn Batteries. Adv . Mater . 2022, 2203104. Doi: 10.1002/adma.202203104 (第一作者：胡正強(qiáng)博士生)
8. Achieving Sustainable and Stable Potassium-Ion Batteries by Leaf-Bioinspired Nanofluidic Flow. Adv . Mater . 2022, 2204370 (第一作者：張喜雪博士生)
9. High-Performance Aqueous Zinc Batteries Based on Organic/Organic Cathodes Integrating Multiredox Centers. Adv . Mater . 2021, 2106469 (第一作者：趙逸博士后)
10. Sustainable recycling technology for Li-Ion batteries and beyond: challenges and future prospects. Chem. Rev. 2020, 120 (14): 7020-7063. Doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00535 (第一作者：范二莎博士)
附作者簡(jiǎn)介：
代中盛，北京理工大學(xué)2022級(jí)博士研究生, 師從李麗教授,，研究方向?yàn)楦咝阅茕囯x子電池關(guān)鍵材料及應(yīng)用,。
孫璇，北京理工大學(xué)前沿技術(shù)研究院研究員,，師從陳人杰教授,，研究方向?yàn)镸Xene基微納材料、鋅離子電池關(guān)鍵材料及應(yīng)用,。
李麗,，北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才,，入選英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士等,。長(zhǎng)期從事新型綠色二次電池關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)、廢舊電池回收處理與資源化利用,，綠色二次電池衰減機(jī)理與智能診斷等研究開發(fā),。
陳人杰，北京理工大學(xué)教授,，博士生導(dǎo)師,，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才，入選英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士等,。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料,、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件,、綠色二次電池資源化再生等方面的教學(xué)和科研工作,。
吳鋒，北京理工大學(xué)杰出教授,、博士生導(dǎo)師,，中國(guó)工程院院士，國(guó)際歐亞科學(xué)院院士,，亞太材料科學(xué)院院士,，長(zhǎng)期從事新型二次電池與相關(guān)能源材料的研究開發(fā)。作為第一完成人,，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng),、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)、部級(jí)科學(xué)技術(shù)和技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)5項(xiàng),；獲何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng),、國(guó)際電池材料學(xué)會(huì)(IBA)科研成就獎(jiǎng)等。
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