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宝马在金属锂电池人工界面研究领域发表综述文章


  近日,宝马娱乐bm7777前沿交叉院黄佳琦教授课题组联合清华大学张强教授在Cell Press细胞出版社旗下材料学旗舰期刊Matter上发表综述文章,系统总结了锂金属与液(固)电解质之间界面设计的最新研究成果,并且对领域发展提出了展望。该工作第一单位为宝马娱乐bm7777,第一作者为材料学院/前沿交叉院博士研究生许睿。原文链接为:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30041-4

  锂金属电池(LMBs)具有显著优于传统锂离子电池的高能量密度,但由于锂负极超高化学反应活性,几乎会与所有的非水性液体电解质形成固态电解质界面(SEI),这种极度不稳定的SEI严重限制了LMB的应用。科研人员通常采取电解质添加剂、锂盐和溶剂优化、高浓度电解质和纳米结构电解质等提高SEI的稳定性。但是在长期服役过程中,SEI仍然存在许多不足:化学异质性,机械脆性,不同工况条件下的成分与结构差异等。合理设计稳定的界面,为实现安全稳定的金属锂负极应用提供重要保障。

图1 改性薄膜提高锂电极与电解质界面之间稳定性的相关方法

  该工作从改性电解质的方法与其在锂金属电池中的应用出发,介绍了液态电解质以及固态电解质改性方法的研究进展,并提出了锂金属界面目前所面临的挑战。其中,图1表示的是通过改性薄膜来提高锂-电解质界面稳定性的策略示意图,包括一些主要的方法(图1 A)与锂金属表面理想改性薄膜所需要具有的一些关键性质(图1 B)。

  面向液态电解质的界面改性方法:由于锂金属自身特点,一个理想的改性SEI(或者是保护层)应该具有以下三点特性:1)化学与电化学稳定性;2)力学柔韧性与强度;3)均匀且快速的离子通道。基于这些考虑,通过使用功能化的有机、无机材料或者其复合材料可直接改性锂/液态电解质界面。其中,有机材料机械模量低,无机材料脆性较强,均不利于界面的稳定性,复合材料兼具两者的优点,成为一种可行性强的策略。

  面向固态电解质的界面改性方法:固态电解质(SSE)主要分为聚合物电解质和无机电解质,其中,聚合物电解质离子导电率较低,无机电解质与锂金属负极接触不稳定。因此,固态电解质与锂金属负极之间的界面工程对于实现高性能稳定的固态电池至关重要。设计固态电解质与锂金属之间界面的要素与液态电解质类似,均需要结合:1)化学与电化学稳定性;2)力学性能;3)均匀且快速的离子通道。另外,根据固态电解质的特点,还需要重点考虑金属锂与电解质之间的界面接触与动力学性质。通常,SSE与锂金属负极之间的界面改性主要涉及:界面合金化、引入聚合物与凝胶缓冲层以及少量的液体电解质作为界面润湿剂。

图2 锂金属负极与液态(固态)电解质之间界面工程的发展史

  锂金属负极与电解质之间的界面是电池工作过程中锂离子输运的必要通道,界面优化对于离子的高效及均匀输运,从而实现LMB的长循环稳定性具有重要意义。经过多年的探究,研究人员在锂金属与固体(液体)电解质的界面工程方面取得了巨大的成就,总结如图2。

  然而,在理解和构建高效锂金属界面的研究课题中,仍然存在许多挑战,比如:系统地建立表面性质与锂金属稳定性之间的 “构-效”关系;准确理解改性界面与锂原子和/或溶剂化锂离子之间的相互作用原理;改性界面在成分和结构上的不断优化,推荐在降低锂含量的纽扣电池甚至是软包电池中进行策略的有效性评测;原位及精细表征方法的引入,以更深入掌握高活泼性界面的相关信息;跨学科合作,理解锂金属界面的其他现象,如产热及应力问题。

  

附作者简介:

  黄佳琦,宝马娱乐bm7777前沿交叉科学研究院教授,博士生导师,九三学社社员。主要开展能源界面化学研究。在Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Adv Mater, Adv Funct Mater, Sci Bull等期刊发表研究工作100余篇,h因子为62,30余篇为ESI高被引论文。入选2015年首届中国科协青年人才托举计划,获评中国化工学会侯德榜化工科技青年奖,中国颗粒学会青年颗粒学奖,2018年科睿唯安高被引科学家,2018年国家万人计划青年拔尖人才等。

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