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,，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦特別研究員和中國科學院物理研究所李泓研究員、清華大學化工系張強教授合作研究在電子/離子混合導體界面設計用以保護金屬鋰負極方面取得重要進展,。該研究通過化學液相法在鋰電極的表面構(gòu)筑混合的離子導體和電子導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，通訊作者為北京理工大學黃佳琦特別研究員,、中國科學院物理研究所李泓研究員,、清華大學張強教授。第一作者為前沿交叉院/材料學院博士研究生閆崇,，并列第一作者為清華大學程新兵博士,。
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)定電極界面的科學設計和合理構(gòu)筑是鋰電池研究領域的一項關鍵課題,。
圖1 離子/電子導體混合導體界面的鋰離子輸運示意圖
該團隊通過化學液相反應法,，在金屬鋰電極表面設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,，在具有高離子導率的同時兼顧一定的電子導率,。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,，微弱的電子導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,，對于定向引導鋰離子輸運具有重要價值。
圖2 混合離子/電子導體界面層與純離子導體界面層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,，九三學社社員，2012年博士畢業(yè)于清華大學化學工程系,，2016年9月入職北理工前沿交叉科學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、國家自然科學基金,、北京理工大學科技創(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,。
黃佳琦擔任中國顆粒學會青年理事會理事，Journal of Energy Chemistry《能源化學》及Chinese Chemical Letters《中國化學快報》青年編委,，任Advanced Functional Materials《先進功能材料》鋰硫電池?？琂ournal of Energy Chemistry 《能源化學》下一代電池?？妥庉?。入選首屆中國科協(xié)青年人才托舉計劃，獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎,，中國顆粒學會青年顆粒學獎等,。
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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