北理工教授發(fā)表微型溶劑化結(jié)構(gòu)提升電池性能評述文章
發(fā)布日期：2024-03-05 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數(shù)：
近日，《Nature》期刊邀請前沿交叉院閆崇副教授和黃佳琦教授在News&Views專欄發(fā)表《Tiny sheaths of solvent boost battery performance》（微型溶劑化結(jié)構(gòu)提升電池性能）為題的評述，闡述新型溶劑化結(jié)構(gòu)給鋰電池快充和低溫帶來的新機會。
充電時間長和低溫性能差是進一步限制鋰電池高質(zhì)量發(fā)展的兩個關(guān)鍵問題。研發(fā)新型電解液是解決上述問題最有效的解決方案之一，這是因為電解液充當(dāng)著電池的“血液”，使鋰離子在電極間流動。本文評述了浙江大學(xué)范修林教授同期上線的新研究工作，該團隊使用實驗和計算模型來確定了一種微型溶劑化結(jié)構(gòu)的電解液（鋰鹽溶解在具有微型體積的氟乙腈中，F(xiàn)AN），當(dāng)作者測試這種電解液時，25°C下具有40.3 mS/cm的超高離子電導(dǎo)率。即使是在?70°C下保持了11.9 mS/cm的離子電導(dǎo)率，這比在相同溫度下使用傳統(tǒng)電解液（碳酸乙烯酯基）獲得的電導(dǎo)率高出10000多倍。 采用小體積溶劑分子組成的電解液極大地提高了電解液中的離子遷移速率，助力電池實現(xiàn)極速快充（6C）和低至?80°C的溫度下令人印象深刻的電池性能。
圖1. 電池電解液中的離子傳輸機制
經(jīng)典理論認(rèn)為鋰離子在電解液中存在兩種主要傳輸機制。a 車輛運輸，離子在移動時攜帶一層溶劑分子，較大的溶劑分子阻礙運輸。b 結(jié)構(gòu)傳輸，離子與一個或多個溶劑分子形成絡(luò)合物，因此可以在分子之間跳躍。C 新發(fā)現(xiàn)非常小體積的溶劑分子能在在鋰離子周圍形成兩個鞘層；內(nèi)鞘層含有溶劑分子和陰離子，外鞘只含有溶劑分子，這些分子將鋰離子從內(nèi)鞘中拉出，從而產(chǎn)生鋰離子快速通過的通道，大大增強了離子的遷移率。
經(jīng)典鋰離子傳導(dǎo)理論認(rèn)為根據(jù)鋰鹽的濃度，液體電解質(zhì)中的鋰離子存在車輛傳輸（vehicular transport，圖1a）和結(jié)構(gòu)傳輸（structural transport，圖1b）的機制，或者通過兩者的組合來輸運，高濃度電解液往往會激活結(jié)構(gòu)傳輸機制。范修林教授研究團隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶劑分子體積非常小時，相應(yīng)的微型溶劑化結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)一種新型的傳輸機制，該類傳輸機制稱為“配體通道傳輸”（ligand channel-facilitated transport, 圖1c）。新的傳輸機制具體表現(xiàn)為鋰離子周圍形成了兩個鞘層：內(nèi)級溶劑化鞘層包含溶劑分子和離子對（陰離子），外溶劑化鞘層包括溶劑分子；外溶劑化鞘層中的溶劑分子將鋰離子從內(nèi)溶劑化鞘中拉出，從而產(chǎn)生鋰離子快速傳導(dǎo)的通道，增強了傳輸特性。新傳導(dǎo)機制的提出可能會帶來快速充電和低溫電池開發(fā)的新方法。同時，該研究提出的新發(fā)現(xiàn)也能拓展至鋰以外的儲能電池系統(tǒng)，如鈉離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池和鈣離子電池等領(lǐng)域的研究。
評述論文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-024-00378-0
研究論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07045-4
附團隊介紹：
黃佳琦教授帶領(lǐng)的北京理工大學(xué)極端環(huán)境能源材料與器件研究中心成立于2019年10月，獲北京理工大學(xué)實驗室平臺建設(shè)資助。圍繞國家戰(zhàn)略需求，依托“高能量物質(zhì)”教育部前沿科學(xué)中心和北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院，凝聚材料科學(xué)、化學(xué)、化工等多學(xué)科方向科學(xué)家開展前沿交叉特色研究。團隊圍繞國家在儲能、材料、光伏等領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略需求，著力解決極端復(fù)雜環(huán)境體系下能量獲取與存儲轉(zhuǎn)化過程所涉及的相關(guān)機制問題，從材料原理到器件應(yīng)用開展研究。近三年來，中心在儲能、光電、核能等多個國家重點領(lǐng)域承擔(dān)科技部重點研發(fā)計劃課題等15余項，科研經(jīng)費5000余萬元，在Nature、Nature Energy等期刊發(fā)表論文200余篇，其中高被引50余篇，培養(yǎng)高被引科學(xué)家4人。
分享到：