北理工黃佳琦課題組在《Advanced Materials》發(fā)表金屬鋰研究新成果
發(fā)布日期：2019-03-27 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：石殊倫 審核：王博 閱讀次數(shù)：近日，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦課題組在金屬鋰界面調(diào)控與保護(hù)方面取得新的研究進(jìn)展，該研究通過傳統(tǒng)刮涂工藝在電極表面構(gòu)建了一種具有有機(jī)-無機(jī)雙層構(gòu)型的單離子導(dǎo)體界面,，有望大幅提高低鋰過量時(shí)金屬鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性及壽命。該研究成果以《Dual-Phase Single-Ion Pathway Interfaces for Robust Lithium Metal in Working Batteries》為題在線發(fā)表在材料類頂級(jí)國際期刊《Advanced Materials》（《先進(jìn)材料》,，影響因子21.95）,。本文的通訊作者為黃佳琦特別研究員，第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉科學(xué)研究院碩士研究生許睿,，共同第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉科學(xué)研究院碩士研究生肖也,。
金屬鋰負(fù)極作為電池領(lǐng)域的“圣杯”電極，有望顯著提高現(xiàn)有以碳作為負(fù)極時(shí)電池的能量密度,。但其本征的高反應(yīng)活性及界面不穩(wěn)定性直接導(dǎo)致了其枝晶生長(zhǎng),、庫倫效率低、循環(huán)壽命短等諸多缺陷,。人工構(gòu)建穩(wěn)定的電極/電解液界面為實(shí)現(xiàn)安全且高效的金屬鋰電池提供了一條重要路徑,。
圖1 雙層單離子導(dǎo)體LLN保護(hù)層實(shí)現(xiàn)無枝晶均勻鋰沉積
該研究團(tuán)隊(duì)通過具有單離子傳導(dǎo)特性的LLZTO和Nafion的復(fù)合，在電極表面構(gòu)建了具有無機(jī)-有機(jī)雙層構(gòu)型的單離子保護(hù)層（LLN）,。該保護(hù)層一方面可誘導(dǎo)鋰離子在界面處的高效傳輸和均勻分布,，防止離子耗竭的出現(xiàn)；另一方面雙層構(gòu)型結(jié)合了無機(jī)物的高模量與聚合物的柔性與形變性能,，在電池循環(huán)中展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,。二者協(xié)同效應(yīng)共同促進(jìn)了金屬鋰的無枝晶均勻沉積（圖1）。
圖2 LLN層的截面形貌及對(duì)于鋰離子遷移與分布的影響
作者通過遷移數(shù)的測(cè)試,，定量證明了該LLN保護(hù)層具有高達(dá)0.82的鋰離子遷移數(shù)（不含LLN層時(shí)僅為0.33）,。結(jié)合有限元模擬可直觀發(fā)現(xiàn)在引入了單離子界面后，鋰離子濃度梯度的堆積得到顯著緩解,，這一行為對(duì)于后續(xù)的金屬鋰規(guī)則沉積具有重要意義（圖2）,。
在結(jié)構(gòu)方面，該無機(jī)-有機(jī)雙層構(gòu)型展現(xiàn)出獨(dú)特的穩(wěn)定性,?；贚i-Cu半電池的電化學(xué)測(cè)試中，LLN膜保護(hù)的電極在0.5 mA cm-2和1.0 mA cm-2下分別具有高達(dá)98.5%和97.7%的庫倫效率,。將1.0 mA cm-2下循環(huán)多圈的電極表面進(jìn)行XPS與掃描電鏡表征,，發(fā)現(xiàn)具有該雙層構(gòu)型的界面膜保持著良好的原始形態(tài)，未探測(cè)到SEI或金屬鋰的信號(hào),。該優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是維持長(zhǎng)效金屬鋰保護(hù)的重要保障,。
圖3 Li-Cu半電池測(cè)試及循環(huán)后的電極界面表征
為探尋該保護(hù)膜的實(shí)用化意義，作者采用50 μm薄鋰片（文獻(xiàn)大量采用的鋰片厚度為> 450 μm），在較苛刻條件下進(jìn)行Li-LiFePO4全電池評(píng)測(cè),。電解液為無添加劑的1M LiPF6-EC/DEC碳酸酯電解液,。在1 C倍率下，保護(hù)后的電池循環(huán)穩(wěn)定性顯著提升,，150圈循環(huán)后仍保持120 mAh g-1的比容量,。而無任何保護(hù)處理的對(duì)照組電池僅60圈后便發(fā)生容量的快速衰減。
圖4 Li-LiFePO4全電池測(cè)試,，包括長(zhǎng)循環(huán)及倍率測(cè)試
該工作為同時(shí)調(diào)控金屬鋰界面離子輸運(yùn)及結(jié)構(gòu)特性提供了新的路徑,，為實(shí)現(xiàn)安全且高效的金屬鋰電池提供了新思路和新方法，獲得了審稿人的高度評(píng)價(jià),。
論文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201808392
附作者簡(jiǎn)介：
黃佳琦特別研究員,，九三學(xué)社社員， 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,，主要開展能源存儲(chǔ)材料研究,。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10000余次，h因子為57,，其中30余篇為ESI高被引論文,。
黃佳琦入選2015年首屆中國科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃，獲評(píng)中國化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng),，中國顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng),，2018年科睿唯安高被引科學(xué)家，2019年國家萬人計(jì)劃青年拔尖人才,。
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