北理工前沿交叉院黃佳琦課題組在化學(xué)類頂級(jí)期刊Angew Chem Int Ed上發(fā)表金屬鋰負(fù)極研究論文
發(fā)布日期：2018-08-23 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：朱倩云 審核：王博 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)前沿交叉學(xué)院黃佳琦特別研究員課題組在金屬鋰負(fù)極保護(hù)方面研究取得新進(jìn)展,，相關(guān)研究成果以《Solvation Chemistry of Lithium Nitrate in Carbonate Electrolyte for High‐Voltage Lithium Metal Battery》為題在線發(fā)表于化學(xué)類頂級(jí)國(guó)際期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》，影響因子12.10）,。該研究通過銅離子的引用突破性地實(shí)現(xiàn)了硝酸鋰在酯類電解液體系溶解,，發(fā)展出了電解液溶劑化結(jié)構(gòu)的調(diào)變方法，該電解液提升了金屬鋰電池續(xù)航能力。本文的第一作者為北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院/材料學(xué)院博士研究生閆崇,，通訊作者為黃佳琦特別研究員,。
金屬鋰具有極高的理論比容量（3860mAh/g）和低的電極電勢(shì)（?3.08 V vs. SHE）有望在高能量密度電池體系中發(fā)展成為石墨負(fù)極材料的優(yōu)良替代品,。然而,，金屬鋰電極在工作時(shí)面臨的問題是金屬鋰枝晶的生成和庫(kù)倫效率的波動(dòng)，更深層次原因是金屬鋰的高活性致使其容易與電解液發(fā)生反應(yīng),，產(chǎn)生不穩(wěn)定和不可控的固液界面（SEI）,。
圖1 不同電解液的光學(xué)照片
硝酸鋰（LiNO3）作為鋰硫電池電解液的添加劑，在抑制多硫化物的“穿梭效應(yīng)”和保護(hù)金屬鋰負(fù)極上發(fā)揮了重要作用,。鋰硫電池電解液體系多為醚類體系,，而醚類體系因其窄的電化學(xué)窗口無法使用到高壓電池中（> 4.3 V），酯類電解液體系能夠承受4.3 V及以上電壓,。黃佳琦研究員課題組通過引入微量的氟化銅（0.2wt %）,，最終實(shí)現(xiàn)了1.0 wt%硝酸鋰添加劑的溶解，整個(gè)溶液的顏色變化明顯：?jiǎn)为?dú)的硝酸鋰和單獨(dú)的氟化銅試劑在酯類電解液中均無法溶解,；當(dāng)兩者共同加入溶液后,，沉淀完全消失，并且呈現(xiàn)藍(lán)色,。該藍(lán)色溶液的出現(xiàn),，是因?yàn)楫a(chǎn)生了可溶解的銅離子絡(luò)合物（圖1）。
圖2 分子動(dòng)力學(xué)模擬與核磁表征
該工作通過核磁技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)電解液的溶解機(jī)理和新型溶劑化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證,，如圖2所示,，藍(lán)色電解液中的13C的核磁信號(hào)相比于常規(guī)酯類電解液的核磁信號(hào)峰的數(shù)目發(fā)生了加倍，表面產(chǎn)生了新的陽(yáng)離子配位中心,。從6Li的核磁信號(hào)位移上看,，銅離子的加入使得6Li的去屏蔽化變強(qiáng)，這一結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相一致,。
圖3 磷酸鐵鋰和三元鎳鈷鋁金屬鋰電池電性能及阻抗變化
研究者在報(bào)道中指認(rèn)了酯類條件下硝酸鋰的初始分解電位在1.4 V,，并發(fā)現(xiàn)了其對(duì)鋰沉積形貌有明顯影響。含有硝酸鋰的藍(lán)色的電解液溶液被用于匹配以磷酸鐵鋰（LFP）和三元鎳鈷鋁（NCA）為正極,，以金屬鋰（Li）為負(fù)極的電池體系中（圖3）,。其中，磷酸鐵鋰電池在0.5C倍率下經(jīng)過500次循環(huán)容量保持率維持在83%,；高壓鎳鈷鋁電池在0.5C倍率下經(jīng)過300次循環(huán)容量保持率在53%,，均呈現(xiàn)出良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，新電解液體系下兩種類型電池的阻抗未發(fā)生明顯增大,。
該研究工作主要探索了首次將硝酸鋰作為添加劑溶解在酯類電解液體系中,，并探究了其電化學(xué)特征，為硝酸鋰用于高壓電解液領(lǐng)域開創(chuàng)了新的研究分支和研究思路,。該工作得到了審稿人的高度評(píng)價(jià),，認(rèn)為其在電解液調(diào)變構(gòu)筑穩(wěn)定電極界面實(shí)現(xiàn)高壓金屬鋰電池領(lǐng)域做出了新的探索,。
附作者簡(jiǎn)介：
黃佳琦特別研究員2012年博士畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程系，2016年9月入職北理工前沿交叉科學(xué)研究院并組建課題組開展研究工作,，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國(guó)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(chǔ)材料研究,。黃佳琦特別研究員以第一作者/通訊作者身份，在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie International Edition, 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54，其中30余篇為ESI高被引論文,。
黃佳琦擔(dān)任中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年理事會(huì)理事,，Journal of Energy Chemistry《能源化學(xué)》及Chinese Chemical Letters《中國(guó)化學(xué)快報(bào)》青年編委，任Advanced Functional Materials《先進(jìn)功能材料》鋰硫電池?？?，Journal of Energy Chemistry 《能源化學(xué)》下一代電池專刊客座編輯,。入選首屆中國(guó)科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃,，獲評(píng)中國(guó)化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)等,。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201807034
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