北理在金屬鋰電池人工界面研究領(lǐng)域發(fā)表綜述文章
發(fā)布日期：2019-09-05 供稿：前沿交叉院
編輯：石殊倫 審核：王博 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授課題組聯(lián)合清華大學(xué)張強(qiáng)教授在Cell Press細(xì)胞出版社旗下材料學(xué)旗艦期刊Matter上發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了鋰金屬與液（固）電解質(zhì)之間界面設(shè)計的最新研究成果，并且對領(lǐng)域發(fā)展提出了展望。該工作第一單位為北京理工大學(xué)，第一作者為材料學(xué)院/前沿交叉院博士研究生許睿。原文鏈接為：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30041-4
鋰金屬電池（LMBs）具有顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池的高能量密度，但由于鋰負(fù)極超高化學(xué)反應(yīng)活性，幾乎會與所有的非水性液體電解質(zhì)形成固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI），這種極度不穩(wěn)定的SEI嚴(yán)重限制了LMB的應(yīng)用。科研人員通常采取電解質(zhì)添加劑、鋰鹽和溶劑優(yōu)化、高濃度電解質(zhì)和納米結(jié)構(gòu)電解質(zhì)等提高SEI的穩(wěn)定性。但是在長期服役過程中，SEI仍然存在許多不足：化學(xué)異質(zhì)性，機(jī)械脆性，不同工況條件下的成分與結(jié)構(gòu)差異等。合理設(shè)計穩(wěn)定的界面，為實現(xiàn)安全穩(wěn)定的金屬鋰負(fù)極應(yīng)用提供重要保障。
圖1 改性薄膜提高鋰電極與電解質(zhì)界面之間穩(wěn)定性的相關(guān)方法
該工作從改性電解質(zhì)的方法與其在鋰金屬電池中的應(yīng)用出發(fā)，介紹了液態(tài)電解質(zhì)以及固態(tài)電解質(zhì)改性方法的研究進(jìn)展，并提出了鋰金屬界面目前所面臨的挑戰(zhàn)。其中，圖1表示的是通過改性薄膜來提高鋰-電解質(zhì)界面穩(wěn)定性的策略示意圖，包括一些主要的方法（圖1 A）與鋰金屬表面理想改性薄膜所需要具有的一些關(guān)鍵性質(zhì)（圖1 B）。
面向液態(tài)電解質(zhì)的界面改性方法：由于鋰金屬自身特點，一個理想的改性SEI（或者是保護(hù)層）應(yīng)該具有以下三點特性：1）化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性；2）力學(xué)柔韌性與強(qiáng)度；3）均勻且快速的離子通道。基于這些考慮，通過使用功能化的有機(jī)、無機(jī)材料或者其復(fù)合材料可直接改性鋰/液態(tài)電解質(zhì)界面。其中，有機(jī)材料機(jī)械模量低，無機(jī)材料脆性較強(qiáng)，均不利于界面的穩(wěn)定性，復(fù)合材料兼具兩者的優(yōu)點，成為一種可行性強(qiáng)的策略。
面向固態(tài)電解質(zhì)的界面改性方法：固態(tài)電解質(zhì)（SSE）主要分為聚合物電解質(zhì)和無機(jī)電解質(zhì)，其中，聚合物電解質(zhì)離子導(dǎo)電率較低，無機(jī)電解質(zhì)與鋰金屬負(fù)極接觸不穩(wěn)定。因此，固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬負(fù)極之間的界面工程對于實現(xiàn)高性能穩(wěn)定的固態(tài)電池至關(guān)重要。設(shè)計固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬之間界面的要素與液態(tài)電解質(zhì)類似，均需要結(jié)合：1）化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性；2）力學(xué)性能；3）均勻且快速的離子通道。另外，根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)的特點，還需要重點考慮金屬鋰與電解質(zhì)之間的界面接觸與動力學(xué)性質(zhì)。通常，SSE與鋰金屬負(fù)極之間的界面改性主要涉及：界面合金化、引入聚合物與凝膠緩沖層以及少量的液體電解質(zhì)作為界面潤濕劑。
圖2 鋰金屬負(fù)極與液態(tài)（固態(tài)）電解質(zhì)之間界面工程的發(fā)展史
鋰金屬負(fù)極與電解質(zhì)之間的界面是電池工作過程中鋰離子輸運的必要通道，界面優(yōu)化對于離子的高效及均勻輸運，從而實現(xiàn)LMB的長循環(huán)穩(wěn)定性具有重要意義。經(jīng)過多年的探究，研究人員在鋰金屬與固體（液體）電解質(zhì)的界面工程方面取得了巨大的成就，總結(jié)如圖2。
然而，在理解和構(gòu)建高效鋰金屬界面的研究課題中，仍然存在許多挑戰(zhàn)，比如：系統(tǒng)地建立表面性質(zhì)與鋰金屬穩(wěn)定性之間的 “構(gòu)-效”關(guān)系；準(zhǔn)確理解改性界面與鋰原子和/或溶劑化鋰離子之間的相互作用原理；改性界面在成分和結(jié)構(gòu)上的不斷優(yōu)化，推薦在降低鋰含量的紐扣電池甚至是軟包電池中進(jìn)行策略的有效性評測；原位及精細(xì)表征方法的引入，以更深入掌握高活潑性界面的相關(guān)信息；跨學(xué)科合作，理解鋰金屬界面的其他現(xiàn)象，如產(chǎn)熱及應(yīng)力問題。
附作者簡介：
黃佳琦，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。主要開展能源界面化學(xué)研究。在Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Adv Mater, Adv Funct Mater, Sci Bull等期刊發(fā)表研究工作100余篇，h因子為62，30余篇為ESI高被引論文。入選2015年首屆中國科協(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，2018年科睿唯安高被引科學(xué)家，2018年國家萬人計劃青年拔尖人才等。
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