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宝马娱乐bm7777黄佳琦课题组在《ACS Energy Letters》上发表固态金属锂负极枝晶生长机理综述论文


  近日,宝马娱乐bm7777前沿交叉科学研究院黄佳琦课题组详细总结了固态电解质中金属锂枝晶的生长机理,该研究探讨了聚合物和无机固态电解质中的枝晶生长模式,分析了现有的枝晶抑制策略存在的问题,并展望了固态电解质中抑制锂枝晶的下一步研究重点。该研究成果以《Controlling the Dendrite Growth in Solid-State Electrolytes》为题在线发表在能源材料类顶级国际期刊《ACS Energy letters》(《美国化学会-能源快报》,影响因子16.331)上。本文的通讯作者为黄佳琦教授,第一作者为宝马娱乐bm7777材料学院/前沿交叉科学研究院博士后刘鹤,合作单位包括清华大学、深圳大学、德累斯顿工业大学、弗劳恩霍夫研究协会材料与束技术研究所。

  图1(a)无缺陷的理想固态电解质具备抑制枝晶生长的潜力;(b)实际固态电解质由于自身缺陷和较差的界面行为,存在严重的金属锂枝晶生长行为。

  金属锂负极作为电池领域的“圣杯”电极,有望显著提高电池的能量密度,但严重的枝晶生长问题限制了其实际应用。一般认为,固态电解质的高机械模量,能够有效的抑制金属锂负极的枝晶生长(图1a)。而且,固态电解质具有不燃、不易泄露、宽电压窗口等优异特性,被认为是替代液态电解质的理想材料。但是,随着研究的不断深入,研究者发现,在实际工作的金属锂电池中,由于固态电解质本身的缺陷和不均匀固固界面的存在,使得固态金属锂电池中仍然存在严重的枝晶生长问题。固态电解质中枝晶导致的短路问题可能比液态电解质更加严重(图1b)。

  该研究团队首先分析了聚合物材料中的枝晶生长行为。聚合物材料的柔性好,易于大面积制备,已经在商业上有成功的案例。但是由于其离子导率和锂离子迁移数都较低,使得聚合物材料需要在高温下操作,降低了其机械模量。聚合物电解质中的枝晶生长问题较为显著,通过掺杂和复合等策略可以在一定程度上调控锂离子的沉积行为,缓解枝晶的出现。

  相比于聚合物电解质,无机固态电解质的机械模量高、离子导率和锂离子迁移数都较高,被认为是理想的抑制枝晶生长材料。但是,无机电解质中的晶界、孔洞、一定的电子导电性、与金属锂差的固固界面接触等原因,使得无机固态电解质仍然存在严重的枝晶生长问题。

  该工作通过详细分析固态电解质中金属锂枝晶的生长行为,为固态金属锂电池中的锂离子输运和沉积行为调控提供了新的理解,为实现安全且高效的固态金属锂电池提供了新思路和新方法。

  论文详情:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b02660

 

附作者简介:

  黄佳琦教授,九三学社社员,2016年9月入职宝马娱乐bm7777前沿交叉科学研究院并组建课题组开展研究工作,主要开展能源存储材料研究。以第一作者/通讯作者身份,在Advanced Materials,Advanced Functional Materials,Angewandte Chemie International Edition,Energy Storage Materials,Science Bulletin等期刊发表一系列研究工作。其发表论文的总引用10000余次,h因子为62,其中40余篇为ESI高被引论文。

  黄佳琦入选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,2018-2019年科睿唯安高被引科学家,2019年国家万人计划青年拔尖人才。

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