北理工課題組在固態(tài)電池領(lǐng)域發(fā)表綜述文章
發(fā)布日期：2023-03-24 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)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(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦課題組在國際材料領(lǐng)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(xué)挑戰(zhàn)與設(shè)計策略（圖1）,。本文的通訊作者為清華大學(xué)趙辰孜助理研究員,、孫碩博士和北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)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(fù)極匹配高壓正極體系引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,。但是由于商用有機(jī)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(dāng)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(jìn)展,、基本機(jī)理,、科學(xué)挑戰(zhàn)進(jìn)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(shè)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(shè)計策略圖
對于無機(jī)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(fù)性,。其中基于氟化物,、氯化物和氧化物框架的無機(jī)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(tuán)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(shè)計界面鈍化層、構(gòu)建復(fù)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(shè)計可以產(chǎn)生具有高離子電導(dǎo)率和低電子電導(dǎo)率的理想界面相,，從動力學(xué)上抑制電化學(xué)分解，有助于電池在高電壓下穩(wěn)定運行,；
2）構(gòu)建復(fù)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(shè)計可以結(jié)合不同固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點,。具有高機(jī)械模量和離子導(dǎo)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(chǔ)概念進(jìn)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(jìn)行了概述,，為更準(zhǔn)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(luò)進(jìn)行了梳理,，固態(tài)電解質(zhì)經(jīng)歷了從初期的驗證，到進(jìn)一步提升離子導(dǎo)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(dǎo)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(xué)化學(xué)工程系助理研究員，2020年和2015年分別在清華大學(xué)化學(xué)工程系,、清華大學(xué)材料學(xué)院獲得博士,、學(xué)士學(xué)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(fù)合鋰負(fù)極設(shè)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(dān)任Nature,、Joule等期刊獨立審稿人，擔(dān)任《中國化學(xué)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(xué)家。
孫碩,，清華大學(xué)助理研究員,，2021年獲得南京理工大學(xué)博士學(xué)位，同時入選“博新計劃”和清華大學(xué)“水木學(xué)者”,，于2021年6月進(jìn)入清華大學(xué)張強(qiáng)教授課題組從事能源材料化學(xué)領(lǐng)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(yīng)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(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。主要開展高比能電池能源化學(xué)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(dān)任中國顆粒學(xué)會理事,，中國化學(xué)會能源化學(xué)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(xué)會自然科學(xué)一等獎,，2018年中國顆粒學(xué)會青年顆粒學(xué)獎，2016年中國化工學(xué)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(xué)家,。
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