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北理工黃佳琦特別研究員在國(guó)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


  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(guó)科學(xué)院物理研究所李泓研究員、清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授合作研究在電子/離子混合導(dǎo)體界面設(shè)計(jì)用以保護(hù)金屬鋰負(fù)極方面取得重要進(jìn)展,。該研究通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)電池高效利用和長(zhǎng)續(xù)航壽命,,開(kāi)拓了人工界面層保護(hù)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(jìn)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(guó)科學(xué)院物理研究所李泓研究員,、清華大學(xué)張強(qiáng)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(dòng)能源儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電極界面的科學(xué)設(shè)計(jì)和合理構(gòu)筑是鋰電池研究領(lǐng)域的一項(xiàng)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(yùn)示意圖

  該團(tuán)隊(duì)通過(guò)化學(xué)液相反應(yīng)法,,在金屬鋰電極表面設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(guò)渡層,,在具有高離子導(dǎo)率的同時(shí)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(duì)長(zhǎng)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(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)力,,對(duì)于定向引導(dǎo)鋰離子輸運(yùn)具有重要價(jià)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(hù)界面的金屬鋰負(fù)極用在匹配鎳鈷錳三元正極(NMC532)的全電池中,,電池的平均庫(kù)倫效率達(dá)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(guò)100次循環(huán)后容量降低到50 mAh g-1,,具有MCI保護(hù)層界面的電池在0.5 C (2小時(shí)充滿額定容量)充放電倍率下,,經(jīng)過(guò)500次循環(huán)容量依然維持在50 mAh g-1,將電池的壽命延長(zhǎng)了5倍,。

圖3 MCI保護(hù)層下鎳鈷錳三元(NMC532)鋰電池電化學(xué)性能

  與研究人員長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于界面的認(rèn)知不同,MCI保護(hù)層的提出在電極界面保護(hù)具有示范意義,,突破性的提出了構(gòu)建離子/電子混合過(guò)渡界面來(lái)實(shí)現(xiàn)離子的快速定向運(yùn)輸,,該研究工作得到審稿人的高度評(píng)價(jià),認(rèn)為MCI過(guò)渡界面層的提出有助于完善對(duì)電極界面的完整認(rèn)識(shí),,為界面設(shè)計(jì)和保護(hù)提供新的思路和方向,。

  

作者簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(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》鋰硫電池專刊,,Journal of Energy Chemistry 《能源化學(xué)》下一代電池??妥庉嫛H脒x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.

  論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.201804461

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