北理工課題組在固態(tài)電池領域發(fā)表綜述文章
發(fā)布日期：2023-03-24 供稿：前沿交叉科學研究院 攝影：前沿交叉科學研究院
編輯：楊婧 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦課題組在國際材料領域頂級期刊《Matter》（影響因子19.967）發(fā)表了題為《Achieving high-energy and high-safety lithium metal batteries with high-voltage-stable solid electrolytes》的綜述文章,，文章全面綜述了固態(tài)金屬鋰電池中高壓固態(tài)電解質(zhì)的測試方法,、科學挑戰(zhàn)與設計策略（圖1）,。本文的通訊作者為清華大學趙辰孜助理研究員,、孫碩博士和北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦教授,，第一作者為北京理工大學前沿交叉科學研究院碩士研究生王子游,。
在追求下一代高能量密度儲能系統(tǒng)的過程中,，鋰金屬負極匹配高壓正極體系引起了工業(yè)界和學術(shù)界的廣泛關(guān)注。但是由于商用有機電解質(zhì)具有揮發(fā)性和易燃性的特征,，高壓高能量密度情況下可能引發(fā)一系列安全問題,。而固態(tài)電解質(zhì)具有良好的熱穩(wěn)定性，有助于大幅提升電池安全性,。因此,，高壓穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)是下一代鋰電池的核心能源材料。針對高壓穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)的當前探索和未來前景,，本篇文章對對高壓固態(tài)電解質(zhì)最新進展,、基本機理、科學挑戰(zhàn)進行的全面深入的綜述,，特別關(guān)注了固態(tài)鋰金屬電池中高壓本征和非本征穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)的不同設計原則和新見解,，旨在實現(xiàn)下一代高能量密度固態(tài)鋰金屬電池的商業(yè)化。
圖1. 高壓穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)的設計策略圖
對于無機固態(tài)電解質(zhì),，其高壓穩(wěn)定性在很大程度上取決于陰離子框架的電負性,。其中基于氟化物、氯化物和氧化物框架的無機電解質(zhì)可以穩(wěn)定匹配大多數(shù)高壓正極,。對于聚合物體系,，具有吸電子基團的聚合物基質(zhì)通常表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。鋰鹽的種類和濃度也會影響聚合物電解質(zhì)的高壓穩(wěn)定性,，含B/F鹽與高鹽策略具有提升電解質(zhì)高壓穩(wěn)定性的潛力,。
對于本身高壓不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì),，通過設計界面鈍化層、構(gòu)建復合電解質(zhì)和使用不對稱結(jié)構(gòu)可以提高高壓相容性的策略,，實現(xiàn)非本征高壓穩(wěn)定：
1）界面鈍化層設計可以產(chǎn)生具有高離子電導率和低電子電導率的理想界面相,，從動力學上抑制電化學分解，有助于電池在高電壓下穩(wěn)定運行,；
2）構(gòu)建復合電解質(zhì)調(diào)節(jié)局部分子間相互作用,，從而延緩固態(tài)電解質(zhì)高壓分解；
3）非對稱結(jié)構(gòu)的雙層/多層電解質(zhì)設計可以結(jié)合不同固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點,。具有高機械模量和離子導率的陶瓷/聚合物不對稱電解質(zhì)是最實用的選擇之一,。
此外，文章針對高壓穩(wěn)定的基礎概念進行了討論,。還對常用高壓穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)測試方法進行了概述,，為更準確、更規(guī)范評估高壓穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)提出了見解,。
圖2. 固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展時間線
本文對固態(tài)鋰金屬電池中固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展脈絡進行了梳理,，固態(tài)電解質(zhì)經(jīng)歷了從初期的驗證，到進一步提升離子導率,，再到目前對高能量密度體系和耐高壓電解質(zhì)的追求的階段（圖2）,。文章全面討論了高壓穩(wěn)定固體電解質(zhì)和固態(tài)鋰金屬電池現(xiàn)有挑戰(zhàn)和前景，旨在指導未來高比能,、高安全性的固態(tài)鋰金屬電池的開發(fā),。
論文詳情：Zi-You Wang, Chen-Zi Zhao*, Shuo Sun*, Yu-Kun Liu, Zi-Xuan Wang, Shuai Li, Rui Zhang, Hong Yuan, Jia-Qi Huang*. Achieving high-energy and high-safety lithium metal batteries with high-voltage-stable solid electrolytes, Matter, 2023, DOI: 10.1016/j.matt.2023.02.012.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.012
附作者簡介：
趙辰孜，清華大學化學工程系助理研究員,，2020年和2015年分別在清華大學化學工程系,、清華大學材料學院獲得博士、學士學位,。主要從事高能量密度,、高安全性下一代電池及儲能材料研究，聚焦于固態(tài)鋰電池,，從復合鋰負極設計,、電解質(zhì)界面調(diào)控和軟包電池工程試制方面開展研究。以（共同）第一,、通訊作者身份在Sci. Adv.,、PNAS、Joule等期刊發(fā)表多篇論文,，擔任Nature,、Joule等期刊獨立審稿人，擔任《中國化學快報》青年編委，2021年入選中國科協(xié)青年人才托舉計劃,，2021-2022年連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學家,。
孫碩，清華大學助理研究員,，2021年獲得南京理工大學博士學位,，同時入選“博新計劃”和清華大學“水木學者”，于2021年6月進入清華大學張強教授課題組從事能源材料化學領域研究,，主要開展基于高壓正極的高能量密度全固態(tài)鋰電池的開發(fā)與應用研究,，目前在Sci. Adv., Adv. Mater.等發(fā)表SCI收錄論文30余篇，授權(quán)發(fā)明專利20余項,。
黃佳琦,，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師,，九三學社社員,。主要開展高比能電池能源化學研究。發(fā)表SCI論文200余篇,，其中70余篇為ESI高被引論文,，H因子101,。擔任中國顆粒學會理事,，中國化學會能源化學專委會委員，J. Energy Chem., InfoMat, Chin. Chem. Lett., Energy Mater. Adv.等刊編委,。曾獲評2022中國青年科技獎特別獎,，2022中國顆粒學會自然科學一等獎，2018年中國顆粒學會青年顆粒學獎,，2016年中國化工學會侯德榜化工科技青年獎等,。2018-2022年連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學家。
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