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)控與保護方面取得新的研究進展，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-無機雙層構(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)表在材料類頂級國際期刊《Advanced Materials》（《先進材料》，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)有以碳作為負極時電池的能量密度。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、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保護層實現(xiàn)無枝晶均勻鋰沉積
該研究團隊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-有機雙層構(gòu)型的單離子保護層（LLN）。該保護層一方面可誘導(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層的截面形貌及對于鋰離子遷移與分布的影響
作者通過遷移數(shù)的測試，定量證明了該LLN保護層具有高達0.82的鋰離子遷移數(shù)（不含LLN層時僅為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-有機雙層構(gòu)型展現(xiàn)出獨特的穩(wěn)定性。基于Li-Cu半電池的電化學(xué)測試中，LLN膜保護的電極在0.5 mA cm-2和1.0 mA cm-2下分別具有高達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)，未探測到SEI或金屬鋰的信號。該優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是維持長效金屬鋰保護的重要保障。
圖3 Li-Cu半電池測試及循環(huán)后的電極界面表征
為探尋該保護膜的實用化意義，作者采用50 μm薄鋰片（文獻大量采用的鋰片厚度為> 450 μm），在較苛刻條件下進行Li-LiFePO4全電池評測。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。而無任何保護處理的對照組電池僅60圈后便發(fā)生容量的快速衰減。
圖4 Li-LiFePO4全電池測試，包括長循環(huán)及倍率測試
該工作為同時調(diào)控金屬鋰界面離子輸運及結(jié)構(gòu)特性提供了新的路徑，為實現(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價。
論文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201808392
附作者簡介：
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，2019年國家萬人計劃青年拔尖人才。
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