北理工課題組在高可逆性金屬鋰負(fù)極界面設(shè)計(jì)方面取得最新研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-10-26 供稿：前沿交叉技術(shù)研究院 攝影：前沿交叉技術(shù)研究院
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圖1. 高可逆性金屬鋰負(fù)極界面設(shè)計(jì)過程導(dǎo)圖
在所有候選的新一代負(fù)極材料中,，金屬鋰憑借其超高的理論比容量（3860 mAh g?1）和最低的平衡電位（?3.040 V vs. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）受到儲(chǔ)能領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。然而,，其不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）所帶來的低庫倫效率嚴(yán)重限制了金屬鋰負(fù)極在二次電池中的實(shí)際應(yīng)用。
近日,，北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授團(tuán)隊(duì)通過對(duì)電極界面的底層設(shè)計(jì),，在苛刻條件下實(shí)現(xiàn)了超高的金屬鋰循環(huán)可逆性（圖1）。該研究成果以《Design and Demystify the Lithium Metal Interface toward Highly Reversible Batteries》為題在線發(fā)表于材料類頂級(jí)國(guó)際期刊《Advanced Materials》（影響因子30.849）。本文的通訊作者為北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授,，第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉院博士研究生許睿,。
圖2. 主溶劑優(yōu)化與鋰形核動(dòng)力學(xué)調(diào)控后，金屬鋰負(fù)極的沉脫行為研究
電解液的組成和鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)直接決定金屬鋰負(fù)極的界面化學(xué),。已有的大量研究工作表明,，局部高鹽電解液體系中陰離子分解衍生的無機(jī)SEI可實(shí)現(xiàn)高達(dá)99%的金屬鋰庫倫效率，而進(jìn)一步的優(yōu)化空間和調(diào)控方法目前仍不明確,。在本工作中,，作者首先通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)局部高鹽電解液的主溶劑進(jìn)行了理性優(yōu)化,。在以優(yōu)選的2-甲基四氫呋喃（MeTHF）作為主溶劑的局部高鹽電解液體系下,，Li|Cu半電池實(shí)現(xiàn)了高達(dá)99.5%的庫倫效率。進(jìn)一步地,，作者結(jié)合滴定氣相色譜方法對(duì)前十圈產(chǎn)生的非活性鋰來源進(jìn)行了定量分析,，發(fā)現(xiàn)“死鋰”和SEI-Li+所占比例相當(dāng)，分別為0.92%和0.74%,?；诖耍髡咄ㄟ^對(duì)初期鋰形核的進(jìn)一步動(dòng)力學(xué)調(diào)控,，將該損失分別降至0.51%和0.53%,，這是源于在形核調(diào)控策略的輔助下，鋰以粒徑更大的圓垛狀結(jié)構(gòu)沉積,，從而進(jìn)一步緩解了死鋰的產(chǎn)生和界面副反應(yīng),，提升了鋰的循環(huán)可逆性（圖2）。
在更為貼近實(shí)用化要求的測(cè)試條件下進(jìn)行評(píng)測(cè),，發(fā)現(xiàn)金屬鋰沉/脫平均庫倫效率在1.0 mA/cm2, 3.0 mAh/cm2和3.0 mA/cm2, 3.0 mAh/cm2下,，分別高達(dá)99.7%和99.5%。作者在實(shí)用化條件下的全電池測(cè)試中進(jìn)一步闡明了提高金屬鋰負(fù)極庫倫效率對(duì)于提升全電池壽命的重要意義,。在N/P="3.7," 正極載量2.7 mAh/cm2下,，Li|LFP電池實(shí)現(xiàn)了300圈循環(huán)99.4%的容量保持率；在無過量鋰源的Cu|LFP電池構(gòu)型下,，紐扣和軟包電池在150圈循環(huán)后分別具有43.8%和41.6%的容量保持率,，展現(xiàn)出金屬鋰二次電池的實(shí)用化前景。
此工作闡明了高可逆性金屬鋰負(fù)極界面的理性設(shè)計(jì)思路,，指明了進(jìn)一步提高鋰?yán)寐实墓リP(guān)方向,，為鋰金屬負(fù)極在高能量密度二次電池中的實(shí)際應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。
附作者介紹：
黃佳琦,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授,，博士生導(dǎo)師,，九三學(xué)社社員。主要開展能源界面化學(xué)研究,。發(fā)表SCI論文100余篇,，其中60余篇為ESI高被引論文，h因子84,。擔(dān)任中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年理事會(huì)理事,，J. Energy Chem.、InfoMat編委,，Chin. Chem. Lett.,、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年編委,。曾獲評(píng)2016年中國(guó)化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng),，2018年中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)，2018年國(guó)家萬人計(jì)劃青年拔尖人才,，2020年北京市杰出青年科學(xué)基金等,；2018-2020年連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。
論文詳情：
Design and Demystify the Lithium Metal Interface toward Highly Reversible Batteries
Rui Xu, Jun-Fan Ding, Xia-Xia Ma, Chong Yan, Yu-Xing Yao, Jia-Qi Huang*
Adv. Mater., doi: 10.1002/adma.202105962
鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105962
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