北理工黃佳琦特別研究員在國際頂尖期刊發(fā)表電子/離子混合導(dǎo)體界面重要研究論文
發(fā)布日期：2018-10-08 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)：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中國科學(xué)院物理研究所李泓研究員、清華大學(xué)化工系張強教授合作研究在電子/離子混合導(dǎo)體界面設(shè)計用以保護金屬鋰負極方面取得重要進展。該研究通過化學(xué)液相法在鋰電極的表面構(gòu)筑混合的離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體雙連通界面來實現(xiàn)電池高效利用和長續(xù)航壽命，開拓了人工界面層保護電極的新思路和新方法。相關(guān)研究成果2018年9月27日在線發(fā)表于《先進材料》（Advanced Materials, 影響因子21.95），題目為“An Armored Mixed Conductor Interphase on a Dendrite-Free Lithium-Metal Anode”。該工作第一單位為北京理工大學(xué)，通訊作者為北京理工大學(xué)黃佳琦特別研究員、中國科學(xué)院物理研究所李泓研究員、清華大學(xué)張強教授。第一作者為前沿交叉院/材料學(xué)院博士研究生閆崇，并列第一作者為清華大學(xué)程新兵博士。
電池在移動能源儲存和利用中發(fā)揮著重要作用，目前在鋰離子和鋰金屬固態(tài)電池的研究中，電極界面特性的差異直接影響到電池的安全性、耐久性和電壓特征。電池中的界面一般存在形式為固-固界面，固-液界面：固固界面是電極材料顆粒之間的接觸產(chǎn)生，固液界面是電極與電解液的接觸產(chǎn)生。實現(xiàn)穩(wěn)定電極界面的科學(xué)設(shè)計和合理構(gòu)筑是鋰電池研究領(lǐng)域的一項關(guān)鍵課題。
圖1 離子/電子導(dǎo)體混合導(dǎo)體界面的鋰離子輸運示意圖
該團隊通過化學(xué)液相反應(yīng)法，在金屬鋰電極表面設(shè)計了具有高楊氏模量、快速離子傳輸特性的離子/電子混合導(dǎo)體界面層（Mixed conductor interphase，簡稱MCI）。MCI層作為固液界面層（Solid electrolyte interphase，SEI）和金屬鋰電極之間的過渡層，在具有高離子導(dǎo)率的同時兼顧一定的電子導(dǎo)率。MCI層（圖1）中離散分布的銅原子打破了相對長程有序的晶體結(jié)構(gòu)，形成了更多的晶界和多晶區(qū)域缺陷（圖2），保證了鋰離子在界面層中的快速傳導(dǎo)，微弱的電子導(dǎo)率為鋰離子在界面層中的遷移提供了遷移電場作為驅(qū)動力，對于定向引導(dǎo)鋰離子輸運具有重要價值。
圖2 混合離子/電子導(dǎo)體界面層與純離子導(dǎo)體界面層TEM圖
MCI保護界面的金屬鋰負極用在匹配鎳鈷錳三元正極（NMC532）的全電池中，電池的平均庫倫效率達到了99.8 %；電池的續(xù)航能力和穩(wěn)定性也被顯著提升，相比于傳統(tǒng)的電極界面中電池經(jīng)過100次循環(huán)后容量降低到50 mAh g-1，具有MCI保護層界面的電池在0.5 C （2小時充滿額定容量）充放電倍率下，經(jīng)過500次循環(huán)容量依然維持在50 mAh g-1，將電池的壽命延長了5倍。
圖3 MCI保護層下鎳鈷錳三元（NMC532）鋰電池電化學(xué)性能
與研究人員長期以來對于界面的認知不同，MCI保護層的提出在電極界面保護具有示范意義，突破性的提出了構(gòu)建離子/電子混合過渡界面來實現(xiàn)離子的快速定向運輸，該研究工作得到審稿人的高度評價，認為MCI過渡界面層的提出有助于完善對電極界面的完整認識，為界面設(shè)計和保護提供新的思路和方向。
作者簡介：
黃佳琦特別研究員，九三學(xué)社社員，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，在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計劃的資助下，主要開展能源存儲材料研究。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9000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《先進功能材料》鋰硫電池專刊，Journal of Energy Chemistry 《能源化學(xué)》下一代電池專刊客座編輯。入選首屆中國科協(xié)青年人才托舉計劃，獲評中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎，中國顆粒學(xué)會青年顆粒學(xué)獎等。
論文詳情：
Chong Yan, Xin-Bing Cheng, Yu-Xing Yao, Xin Shen, Bo-Quan Li, Wen-Jun Li, Rui Zhang, Jia-Qi Huang,* Hong Li,* and Qiang Zhang*. An Armored Mixed Conductor Interphase on a Dendrite-Free Lithium-Metal Anode. Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.201804461.
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