北理工前沿交叉科學(xué)研究院在金屬鋰負(fù)極界面保護(hù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2018-04-23 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：李卡 審核：王博 閱讀次數(shù)：日前,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦特別研究員和清華大學(xué)、中科院物理所的合作者在金屬鋰負(fù)極保護(hù)研究方面取得重要進(jìn)展,。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于Advanced Materials（《先進(jìn)材料》, 影響因子19.79）,，題目為“Dual-Layered Film Protected Lithium Metal Anode to Enable Dendrite-Free Lithium Deposition”。論文第一作者為前沿交叉院博士生閆崇,。
高安全性,、高能量密度、長壽命電池是推動能源高效利用的關(guān)鍵,。采用具有極高的理論比容量（3860 mAh g?1）和最低電極電勢（?3.04V vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）的金屬鋰電極作為二次電池的負(fù)極材料是解決人們對里程焦慮和安全隱患的重要技術(shù)路線,，也是發(fā)展高安全固態(tài)電池的關(guān)鍵。然而,，金屬鋰表面在充放電循環(huán)中具有較高的化學(xué)活性,，導(dǎo)致其界面穩(wěn)定性差，這將導(dǎo)致鋰枝晶的生長,，電池庫倫效率低等問題,。充分認(rèn)識鋰離子在金屬鋰表面的沉積和脫出行為,，深入理解鋰金屬電極界面結(jié)構(gòu)對于鋰離子沉積和脫出的影響有著重要意義。
黃佳琦課題組等利用金屬鋰高活性特點(diǎn)在鋰表面構(gòu)筑了雙層界面膜,。該界面膜外層主要由有機(jī)組分構(gòu)成,，內(nèi)層主要由無機(jī)組分構(gòu)成。相比于傳統(tǒng)的無序馬賽克結(jié)構(gòu)的金屬鋰界面膜,，該雙層結(jié)構(gòu)有序的界面膜能夠更好實(shí)現(xiàn)金屬鋰的均勻沉積與脫出,，穩(wěn)定固液界面，大大抑制了鋰枝晶的產(chǎn)生,，在增強(qiáng)電池的安全性的同時有效提升了金屬鋰電池的循環(huán)壽命,。
圖1 分子動力學(xué)模擬計(jì)算及構(gòu)筑雙層SEI膜示意圖
研究人員利用金屬鋰的高化學(xué)活性，采用分子動力學(xué)計(jì)算模擬驗(yàn)證了氟代碳酸乙烯酯與金屬鋰的自發(fā)化學(xué)反應(yīng)的特性,，通過將金屬鋰在氟代碳酸乙烯酯（FEC）中進(jìn)行化學(xué)處理,，獲得了雙層界面保護(hù)膜（圖1）。原子力學(xué)顯微鏡測試（AFM）和X-射線光電子能譜深度濺射（XPS）表征發(fā)現(xiàn),，金屬鋰表面存在雙層膜結(jié)構(gòu),，外層以有機(jī)成分（ROCO2Li、ROLi）為主,，內(nèi)層以無機(jī)成分（LiF,、Li2CO3）為主。此結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)電化學(xué)反應(yīng)體系下金屬鋰表面形成的馬賽克結(jié)構(gòu),。該雙層界面膜可以通過預(yù)先形成均勻的沉積形核位點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)鋰的柱狀沉積。常規(guī)馬賽克界面膜鋰沉積為灰黑色,，而本研究提出的雙層膜保護(hù)的金屬鋰沉積物呈現(xiàn)天藍(lán)色（圖2）,。將該具有保護(hù)層的鋰片用于鋰鋰對稱電池、三元鎳鈷錳（NCM）金屬鋰電池,，發(fā)現(xiàn)金屬鋰負(fù)極的循環(huán)壽命和電池穩(wěn)定性得到顯著提升,；雙層膜保護(hù)的金屬鋰電極表面的沉積形貌光滑、致密,、金屬鋰沉積均勻,。這說明雙層膜有效保護(hù)了金屬鋰，能抑制枝晶的形成,。這對于構(gòu)筑金屬鋰表面人工界面膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及深入理解鋰離子在不同界面膜中輸運(yùn)及沉積行為都具有重要參考價值,。
圖2 金屬鋰表面不同結(jié)構(gòu)界面膜對于鋰形核點(diǎn)和晶核生長的影響（a-c為雙層有序結(jié)構(gòu)界面膜，d-f為無序界面膜）
黃佳琦特別研究員入職北京理工大學(xué)前沿交叉院以來,，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國家自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃的資助下,，主要開展能源存儲材料研究,。以第一作者/通訊作者身份,，在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Science Bulletin等期刊發(fā)表一系列研究工作。其發(fā)表論文的總引用8000余次,，h因子為51,，其中29篇為ESI高被引論文。
黃佳琦擔(dān)任中國顆粒學(xué)會青年理事會理事,，Journal of Energy Chemistry《能源化學(xué)》及Chinese Chemical Letters《中國化學(xué)快報》青年編委,，任Advanced Functional Materials《先進(jìn)功能材料》鋰硫電池專刊客座編輯,。入選首屆中國科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃,，獲評中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎。
論文鏈接：
Chong Yan, Xin-Bing Cheng, Yang Tian, Xiang Chen, Xue-Qiang Zhang, Wen-Jun Li, Jia-Qi Huang, Qiang Zhang, Dual-Layered Film Protected Lithium Metal Anode to Enable Dendrite-Free Lithium Deposition, Advanced Materials, 2018, 30, 1707629, DOI: 10.1002/adma.201707629
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