北理工課題組在高可逆性金屬鋰負(fù)極界面設(shè)計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際應(yīng)用。

近日，北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授團隊通過對電極界面的底層設(shè)計，在苛刻條件下實現(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)表于材料類頂級國際期刊《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SEI可實現(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驗相結(jié)合的研究方法，對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%。基于此，作者通過對初期鋰形核的進(jìn)一步動力學(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）。

在更為貼近實用化要求的測試條件下進(jìn)行評測，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%。作者在實用化條件下的全電池測試中進(jìn)一步闡明了提高金屬鋰負(fù)極庫倫效率對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)任中國顆粒學(xué)會青年理事會理事，J. Energy Chem.、InfoMat編委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年編委。曾獲評2016年中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎，2018年中國顆粒學(xué)會青年顆粒學(xué)獎，2018年國家萬人計劃青年拔尖人才，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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