北理工在新型水系鋰離子電池電解質(zhì)方面取得研究進展
發(fā)布日期：2020-10-26 供稿：材料學院
編輯：劉曉雪 審核：金海波 閱讀次數(shù)：
近日,，材料類頂級國際期刊《Advanced Materials》（《先進材料》,，影響因子27.398）報道了北京理工大學材料學院陳人杰教授課題組在新型水系鋰離子電池電解質(zhì)方面的研究進展,，相關(guān)研究成果以“An“Ether-In-Water” Electrolyte Boosts Stable Interfacial Chemistry for Aqueous Lithium-Ion Batteries”為題在線發(fā)表,。尚妍欣博士為第一作者,，陳楠副研究員,、李月姣副教授,、陳人杰教授為共同通訊作者,。
隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展,，人們對具有高效可逆能量存儲的鋰離子電池的需求不斷增加，但商業(yè)鋰電池大多數(shù)采用的是有機液體電解質(zhì),，其在使用過程中存在著泄露,、揮發(fā)、氧化分解及熱失控等問題,。應(yīng)用于水系鋰離子電池的電解質(zhì)由于其具有離子電導率高,、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點,，是當前新電池體系及關(guān)鍵材料研究領(lǐng)域中的熱點,。但是，水本身固有的較窄的電化學穩(wěn)定性窗口（1.23 V）限制了水系電池的工作電壓和能量密度,。雖然SEI膜可以拓寬電解質(zhì)的電化學窗口,，但傳統(tǒng)水系電池電解質(zhì)的分解產(chǎn)物為H2和O2，無法以固態(tài)形式沉積在電極表面上,。近年來,，一些開創(chuàng)性的工作通過降低水的活性、電極表面構(gòu)筑穩(wěn)定SEI膜,，為高濃鹽水系電解質(zhì)材料的設(shè)計研究提供了新的思路,。
通常，理想的水系SEI膜應(yīng)具有均勻的厚度,、低溶解度,、較好的柔韌性以及有效分離活性物質(zhì)與電解質(zhì)的能力。醚類溶劑,，特別是TEGDME,，由于具有較高的介電常數(shù)，可以實現(xiàn)電解質(zhì)鋰鹽陰陽離子對的有效分離,，提高鋰鹽在電解液中的濃度,，從而獲得較高的電導率。同時,，醚類溶劑形成的SEI膜具有薄,、致密、結(jié)構(gòu)均勻等優(yōu)點,，因此可以作為有效的水系電解質(zhì)溶劑組分之一,，提高電池的穩(wěn)定性。
陳人杰教授課題組首次提出了一種新型的“ether?in?water” electrolyte（EIWE）水系混合電解質(zhì),，將電化學穩(wěn)定窗口擴大到4.2 V,，紅外/拉曼光譜對形成的新的溶劑化結(jié)構(gòu)中TEGDME/H2O/LiTFSI三組分間的相互作用進行了分析，并結(jié)合DFT和AIMD模擬，對成膜機理進行了深入研究,。結(jié)果表明,，當LiTFSI:TEGDME:H2O="4:1:7時，Li+2(TFSI?) 和 Li+4(TEGDME)的還原電位均高于水的析氫電位,，二者會優(yōu)先還原形成SEI膜,，而這層膜分別是由Li+2(TFSI-)還原得到的無機物LiF和由Li+4(TEGDME)還原得到的有機含碳物質(zhì)組成的雙層界面。作者通過不同濃度的對比實驗,，驗證了15m (mol/kg)的 EIWE抑制水分解和析氫反應(yīng)效果最佳,。TEM表征進一步研究了界面膜對電極的保護機理。在15m EIWE中,，CEI膜和SEI膜均表現(xiàn)出了較好的均勻性和穩(wěn)定性,。DEMS定量分析了不同濃度電解質(zhì)H2O分解產(chǎn)生H2和O2的量。9m EIWE在2.6V有明顯的H2釋放,，而15m EIWE中釋放的氣體量可以忽略不計,，表明15m EIWE可以顯著抑制H2和O2分解，對電解質(zhì)穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用,。這種獨特的電解質(zhì)結(jié)構(gòu)為在水系電池中建立穩(wěn)定的界面提供了新的設(shè)計思路。相關(guān)研究工作發(fā)表在Wiley出版社的《Advanced Materials》期刊上,，被Materials Views China科技網(wǎng)站和微信公眾號同時進行了報道（https://www.materialsviewschina.com/2020/09/49231/）,，也被材料人網(wǎng)站進行了報道。
圖1：EIWE基水系鋰離子電池的結(jié)構(gòu),。
圖2：SEI膜的形成機理,。
文獻鏈接：An “Ether-In-Water” Electrolyte Boosts Stable Interfacial Chemistry for Aqueous Lithium-Ion Batteries. Adv. Mater. , 2020, DOI:10.1002/adma.202004017。
在吳鋒院士的指導下,，陳人杰教授課題組長期從事離子液體,、多元溶劑、功能添加劑及復合固態(tài)電解質(zhì)等新型功能電解質(zhì)材料的研究,，近期部分相關(guān)工作如下：
1. Angew. Chem. Int. Ed ., 2020, DOI: 10.1002/anie.201903459. (IF="12.959," 第一作者: 賴靜寧博士)
2. J. Mater. Chem. A , 2020, DOI: 10.1039/D0TA02098B. (IF="11.301," 第一作者: 溫子越博士)
3. ACS Appl. Mater. Interfaces , 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c00621. (IF="8.758," 第一作者: 閆明霞碩士)
4. J. Power Sources , 2020, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228161. (IF="8.274," 第一作者: 溫子越博士)
5. ACS Appl. Mater. Interfaces , 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b01417. (IF="8.758," 第一作者: 陳楠副研究員)
6. J. Mater. Chem. A , 2019, DOI: 10.1039/C8TA12539B. (IF="11.301," 第一作者: 陳楠副研究員)
7. Adv. Mater . 2019, DOI: 10.1002/adma.201808393. (IF="27.398," 第一作者: 黃永鑫副研究員)
8. Adv. Funct. Mater . 2018, DOI: 10.1002/adfm.201800919. (IF="16.836," 第一作者: 王麗莉博士)
9. Mater. Horizons , 2016, DOI: 10.1039/C6MH00218H. (IF="12.319," 第一作者: 屈雯潔博士)
10. 先進電池功能電解質(zhì)材料,，陳人杰著，科學出版社,，2020,，ISBN 978-7-03-060719-5
上述研究成果得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金,、北京高等學校卓越青年科學家計劃和北京理工大學科研院創(chuàng)新人才支持計劃等項目經(jīng)費的支持,。
附作者簡介：
尚妍欣，1994年5月出生,，現(xiàn)為北京理工大學材料科學與工程系博士研究生,，導師為陳實教授；主要研究方向新型二次電池體系,，專注于新型水系鋰離子電池電解液體系的探索和開發(fā),。在研究工作中首次提出了具有穩(wěn)定界面化學的新型Li4(TEGDME)(H2O)7水系混合電解質(zhì),，將水系電解質(zhì)電化學穩(wěn)定窗口由低于2.0V提高至4.2 V；參與國家自然科學基金,、國家重點研發(fā)計劃等項目研究,；多次參加國內(nèi)學術(shù)會議交流。
陳楠,，副研究員,，主要從事新能源材料領(lǐng)域的相關(guān)研究，包括固體電解質(zhì),、阻燃電解液,、金屬鋰電極等新型二次電池關(guān)鍵材料的研究。作為課題負責人承擔國家自然科學基金青年科學基金項目,、北京市青年基金,、中國博士后基金面上資助、中國博士后基金特別資助,，作為研究骨干參與國家重點研發(fā)計劃項目,、國家973計劃項目等。迄今在 Advanced Materials,，Energy & Environmental Science,，Advanced Energy Materials，Chemistry of Materials,，Nano Energy,，Advanced Science 和 Journal of Materials Chemistry A 等國際著名期刊發(fā)表研究論文30余篇，申請發(fā)明專利10余項,，獲授權(quán)4項,。
李月姣，副教授,，主要從事新型電解質(zhì)材料,、鋰離子高安全性正極材料的開發(fā)與應(yīng)用等方面教學和科研。作為項目負責人,，承擔了北京理工大學?；A(chǔ)研究基金、北京市教委共建項目等,；作為技術(shù)骨干,，參加了國家高技術(shù)863計劃“動力電池及關(guān)鍵材料共性技術(shù)及評價體系研究”、國家重點基礎(chǔ)研究973計劃“新型二次電池及相關(guān)能源材料的基礎(chǔ)研究”,、國家重點研發(fā)計劃新能源專項,、中美國際科技合作等項目。以第一作者/通訊作者在行業(yè)期刊發(fā)表SCI論文30余篇，授權(quán)及申請專利近10項,。
陳人杰,，材料學院教授、博導,，國家部委專業(yè)組委員,、中國材料研究學會理事（能源轉(zhuǎn)換與存儲材料分會秘書長）、中國固態(tài)離子學會理事,、國際電化學能源科學院（IAOEES）理事,、中國化工學會化工新材料專業(yè)委員會委員、中國電池工業(yè)協(xié)會全國電池行業(yè)專家,。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料,、新型離子液體及功能復合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件,、綠色二次電池資源化再生等方面的教學和科研工作,。主持承擔了國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目,、“863”計劃項目,、中央在京高校重大成果轉(zhuǎn)化項目、北京市科技計劃項目等課題,。發(fā)表SCI論文200余篇（IF>10的80余篇）,；申請發(fā)明專利82項，獲授權(quán)35項,；獲批軟件著作權(quán)7項，學術(shù)專著2部,。作為主要完成人,，獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、部級科學技術(shù)一等獎3項,。先后入選教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃,、北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助計劃、北京市科技新星,、北京高等學校卓越青年科學家計劃,、中國工程前沿杰出青年學者、英國皇家化學學會會士,。
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