北理工在金屬鋰電極界面調(diào)控取得最新研究成果

發(fā)布日期：2020-12-23

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近日，北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授課題組在認識金屬鋰電極界面生成規(guī)律方面取得了重要進展。該研究成果以《Identifying the Critical Anion?Cation Coordination to Regulate Electric Double Layer for Efficient Lithium Metal Anode Interface》為題在線發(fā)表在化學(xué)類頂級國際期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》（《德國應(yīng)用化學(xué)》，影響因子12.959）。本文的通訊作者為北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉院博士研究生許睿。

電極/電解液界面的生成與演化行為從本質(zhì)上決定了電化學(xué)儲能器件的效率與壽命。金屬鋰負極的引入對于實現(xiàn)高比能電池具有至關(guān)重要的意義，但由于其本征高反應(yīng)活性所帶來的體系復(fù)雜性，領(lǐng)域內(nèi)目前對金屬鋰界面生成及調(diào)控規(guī)律的認知仍相當(dāng)匱乏。

傳統(tǒng)地，人們普遍認為電解液成分中熱力學(xué)穩(wěn)定性最低的成分必然決定了金屬鋰表面固態(tài)電解質(zhì)界面相（SEI）的生成，但并未對此標(biāo)準的適用性進行更微觀尺度地理解和探索。

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圖1. 模型電解液體系實現(xiàn)不同的硝酸根陰離子締合方式

北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授團隊在最新的研究工作中對控制金屬鋰表面SEI生成的因素進行了雙電層尺度的解析。在此工作中，作者以含有硝酸鋰（LiNO₃）的模型電解液作為研究對象，對比了不同NO₃^?陰離子締合方式下的SEI生成行為和金屬鋰保護效果（圖1）。

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圖2. 不同極性的溶劑體系下，金屬鋰電極表面的雙電層結(jié)構(gòu)，其控制了后續(xù)的SEI生長行為。

系統(tǒng)的研究結(jié)果證明，陰-陽離子間的直接締合可中和陰離子自身的負電特性，使得陰離子可以接近同樣荷負電的金屬鋰電極表面，從而參與SEI的構(gòu)建。在強極性溶劑如DMSO體系下，陰-陽離子間的相互作用被嚴重削弱，導(dǎo)致陰離子無法進入金屬鋰雙電層內(nèi)分解構(gòu)建SEI（圖2）。

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圖3. 引入多價陽離子（以Cu²⁺為例）同時促進陰陽離子締合與調(diào)控金屬鋰雙電層內(nèi)的陽離子聚集行為，從而實現(xiàn)更高的電池循環(huán)效率。

此工作進一步指出，引入以Cu²⁺為例的多價陽離子可通過強陰-陽離子締合的方式促進陰離子在金屬鋰雙電層內(nèi)的富集，以實現(xiàn)更加穩(wěn)定的陰離子誘導(dǎo)型SEI，提升電池的庫倫效率與循環(huán)壽命（圖3）。

此工作為理解金屬鋰界面構(gòu)筑規(guī)律提供了更為深入的底層認識，為設(shè)計穩(wěn)定高效的金屬鋰負極提供了重要的理論支撐。

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。主要開展高比能電池能源化學(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77，其中50余篇為ESI高被引論文。入選首屆中國科協(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，國家萬人計劃青年拔尖人才，2018-2020年科睿唯安高被引科學(xué)家等。

論文詳情：

Identifying the Critical Anion?Cation Coordination to Regulate Electric Double Layer for Efficient Lithium Metal Anode Interface

Rui Xu, Xin Shen, Xia-Xia Ma, Chong Yan, Xue-Qiang Zhang, Xiang Chen, Jun-Fan Ding, Jia-Qi Huang*

Angewandte Chemie International Edition

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202013271

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