北理工團(tuán)隊(duì)在鋰金屬電池固態(tài)電解質(zhì)界面研究中取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-04-18 供稿：材料學(xué)院 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數(shù)：
近日，北理工材料學(xué)院陳人杰課題組提出了一種基于原位冷粘合方法制備功能性混合導(dǎo)電層改善氧化物固態(tài)電解質(zhì)界面的新策略,。相關(guān)成果以“Constructing a Uniform and Stable Mixed Conductive Layer to Stabilize the Solid-State Electrolyte/Li Interface by Cold Bonding at Mild Condition”為題,，發(fā)表于著名期刊Advanced Materials。材料學(xué)院碩士研究生陳怡為該論文的第一作者,，陳人杰教授和錢驥研究員為論文的通訊作者,。
固態(tài)鋰金屬電池被認(rèn)為是最有前途的下一代電池。具體而言,，石榴石型電解質(zhì)（LLZ）因其出色的離子電導(dǎo)率（室溫下~10-4 S cm-1）以及與鋰金屬的良好穩(wěn)定性而引人注目,。然而，由于LLZ與鋰不親和,，LLZ表面的Li潤濕性較差,，導(dǎo)致LLZ/Li界面的固體接觸差，界面電阻高,。此外,，在循環(huán)過程中易發(fā)生LLZ與鋰金屬之間的副反應(yīng)引起LLZ結(jié)構(gòu)損傷以及鋰穿透LLZ引起電池短路。這些問題降低了LLZ的性能,，限制了LLZ的應(yīng)用,。
鑒于此，北京理工大學(xué)陳人杰教授,，錢驥研究員等人通過使用原位冷粘合方法在常溫下制備了由Li3N和Li-In合金組成的混合導(dǎo)電層（RT-MCL）用于改善LLZ/Li界面,。該混合導(dǎo)電層對鋰金屬穩(wěn)定，可以有效保護(hù)鋰金屬表面，抑制鋰金屬的破碎,；同時(shí),，其具有的高Li+擴(kuò)散系數(shù)可以誘導(dǎo)鋰金屬的均勻沉積，使MCL能夠承受較大的體積變化,。因此,，該混合導(dǎo)電層能有效抑制界面副反應(yīng)，保護(hù)LLZ的晶體結(jié)構(gòu),，同時(shí)有效促進(jìn)鋰金屬的均勻鋰沉積,，抑制鋰枝晶的生長。
更重要的是,，原位冷粘合策略可以在室溫下實(shí)現(xiàn)LLZ與Li的緊密粘合,，避免了文獻(xiàn)中常用的在高溫下利用熔融金屬鋰反應(yīng)形成MCL（HT-MCL）的方法來提升LLZ/Li界面。與熔融Li的使用相比,，在室溫下使用固體Li能夠有效消除高溫下處理金屬鋰可能發(fā)生的安全問題,，提高樣品制備的可操作性，降低能耗,，有利于保持LLZ的界面穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性,，突出了該技術(shù)在LLZ/Li界面合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面的巨大潛力。
基于RT-MCL-LLZ的鋰對稱電池的極限電流密度高達(dá)1.8 mA cm-2,，并且電池在0.5 mA cm-2的電流密度下表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能（循環(huán)時(shí)間超過2000小時(shí)）和較小的極化電壓,。Li/RT-MCL-LLZ/LiFePO4全電池在室溫下0.2C（1C = 170 mAh g-1）循環(huán)100次后仍保持高可逆容量（> 160 mAh g-1）。這些優(yōu)異的電化學(xué)性能表明,，冷粘合法構(gòu)建的RT-MCL在優(yōu)化LLZ電解質(zhì)與鋰金屬負(fù)極之間的界面方面具有顯著的效果,。
總而言之，本文報(bào)告了一種新的冷粘合策略,，能簡單而有效構(gòu)筑混合導(dǎo)電層作為LLZ/Li界面,。這種新方法基于預(yù)沉積InN層和鋰金屬在室溫下的原位轉(zhuǎn)化反應(yīng)，在形成MCL上相比熱粘合策略具有巨大的優(yōu)勢,。所得到的RT-MCL能促進(jìn)鋰金屬的均勻鋰沉積,，抑制鋰枝晶的生長，同時(shí)也能有效抑制界面副反應(yīng),，保護(hù)LLZ的晶體結(jié)構(gòu),，為多功能化固態(tài)電解質(zhì)/鋰金屬界面的研究發(fā)展提供了新的思路，也為固態(tài)電解質(zhì)界面修飾改性開拓了新的方法策略,。
文獻(xiàn)信息：Yi Chen, Ji Qian*, Xin Hu, Yitian Ma, Yu Li, Tianyang Xue, Tianyang Yu, Li Li, Feng Wu, Renjie Chen*. Constructing uniform and stable mixed conductive layer to stabilize the solid-state electrolyte/Li interface by cold bonding at mild conditions (2023).
全文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212096
附作者簡介：
錢驥，材料學(xué)院特別研究員,，博導(dǎo),。入選第八屆中科協(xié)青年人才托舉工程，2022年度山東省優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目(海外),，和2018年“博士后國際交流計(jì)劃”派出項(xiàng)目,，作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目,，山東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目子課題，并作為技術(shù)骨干參與國家973計(jì)劃,、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、北京市科委重大科技項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金,、美國能源部項(xiàng)目等,；獲得第一屆全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽海外(境外)賽銅獎(jiǎng)。共參與發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇,，總被引用超過3300次,，H因子33（Google Scholar），其中以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文18篇,，包括Nature Nanotechnology, Advanced Materials, Science Advances, Materials Today, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy, Energy Storage Materials等,；授權(quán)發(fā)明專利6項(xiàng)，含美國專利1項(xiàng),。
陳人杰,，材料學(xué)院教授、博導(dǎo),，國家部委能源專業(yè)組委員,、中國材料研究學(xué)會理事（能源轉(zhuǎn)換與存儲材料分會秘書長）、中國固態(tài)離子學(xué)會理事,、國際電化學(xué)能源科學(xué)院（IAOEES）理事,、中國化工學(xué)會化工新材料專業(yè)委員會委員、中國電池工業(yè)協(xié)會全國電池行業(yè)專家,。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,。主持承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目,、“863”計(jì)劃項(xiàng)目,、中央在京高校重大成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目等課題,。在Chemical Reviews,、Chemical Society Reviews、National Science Reviews,、Advanced Materials,、Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Functional Materials,、Energy Storage Materials等期刊發(fā)表SCI論文300余篇,；申請發(fā)明專利118項(xiàng)，獲授權(quán)50項(xiàng),；獲批軟件著作權(quán)12項(xiàng),，出版學(xué)術(shù)專著2部。獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng),、部級科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)5項(xiàng),。入選教育部長江學(xué)者特聘教授、北京高等學(xué)校卓越青年科學(xué)家,、中國工程前沿杰出青年學(xué)者,、英國皇家化學(xué)學(xué)會會士、科睿唯安 “全球高被引科學(xué)家”,。
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