北理工在高電壓電池固液界面研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-08-29 供稿：前沿交叉院
編輯：石殊倫 審核：王博 閱讀次數(shù)：
日前，國(guó)際化學(xué)與材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition，影響因子12.2）報(bào)道了北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦課題組在電池低界面極化固液混合界面中的的原創(chuàng)性研究成果，題目為“4.5 V High-Voltage Rechargeable Batteries Enabled by the Reduction of Polarization on the Lithium Metal Anode”。該工作第一單位為北京理工大學(xué)，通訊作者為北京理工大學(xué)黃佳琦教授，第一作者為材料學(xué)院/前沿交叉院博士研究生閆崇。該工作得到科研領(lǐng)域內(nèi)著名網(wǎng)站X-MOL的專題評(píng)述。
社會(huì)對(duì)于高比能電池的需求與日俱增，純石墨負(fù)極已難以解決大眾對(duì)于鋰離子電池續(xù)航焦慮的問(wèn)題。而金屬鋰具有極高的理論比容量（3860mAh/g）和低的電極電勢(shì)（-3.08 V vs SHE）有望在高能量密度電池體系中發(fā)展成為石墨負(fù)極材料的優(yōu)良替代品。以金屬鋰為電極的鋰硫電池，鋰空電池的研究報(bào)道經(jīng)常進(jìn)入大眾視野；三元鎳鈷錳正極（NCM）和富鋰錳基（LNMO）正極材料在匹配金屬鋰電極組成全電池方面因能量密度上有至少20% 提升正在被研究探索。
近期關(guān)于金屬鋰電極的研究熱點(diǎn)集中在固態(tài)電池領(lǐng)域，主要原因是固態(tài)電解質(zhì)能解決液態(tài)電解液帶來(lái)的安全問(wèn)題，但固態(tài)電池同樣面臨著相關(guān)的難題，比如固固接觸條件下鋰離子的移動(dòng)速度慢，電池運(yùn)行過(guò)程中的極化電壓大等。因此，在固態(tài)電解質(zhì)中加入少量的液體電解液充分潤(rùn)濕電極和電解質(zhì)接觸的界面，兼顧解決了電池的安全問(wèn)題和固固接觸的問(wèn)題。然而，受限于表征手段的匱乏，領(lǐng)域內(nèi)對(duì)于固液混合界面的認(rèn)知處于初級(jí)階段，尚有諸多理論需要被完善。針對(duì)該領(lǐng)域的迫切需求，黃佳琦課題組采用三電極的研究方法對(duì)于固液混合界面行為進(jìn)行表征，探究了不同液固界面下的鋰離子輸運(yùn)行為差異。結(jié)果表明，引入固液混合的界面能顯著降低電極表面的過(guò)電勢(shì)，抑制電極界面處的副反應(yīng)。采用鎳鈷鋁（NCA）氧化物作為正極，在4.5 V高壓金屬鋰電池體系中驗(yàn)證了該結(jié)論的有效性。
圖1 厚度可控的固態(tài)電解質(zhì)層（500nm厚固態(tài)層對(duì)應(yīng)面載量0.113mg/cm2）
該團(tuán)隊(duì)采用反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Li3OCl固態(tài)電解質(zhì)材料在負(fù)極表面獲得了厚度可控的固態(tài)電解質(zhì)涂層（圖1）。電池循環(huán)時(shí)加入痕量的電解液（0.8 微升/克活性物質(zhì)）用來(lái)潤(rùn)濕電解質(zhì)層及電極，獲得電池測(cè)試過(guò)程中固液混合的負(fù)極-電解液界面。三電極電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的液態(tài)體系下的極化電壓，該固液混合界面下金屬鋰負(fù)極表面的過(guò)電勢(shì)顯著降低。在循環(huán)伏安測(cè)試和線性掃描伏安測(cè)試曲線中，該具有固液混合界面的電池體系能夠在4.5 V電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，而常規(guī)的酯類體系在較低電壓窗口下已發(fā)生氧化分解。匹配三元鎳鈷鋁（LiNi0.85Co0.1Al0.05O2, NCA）高電壓窗口（3.0-4.5 V）正極材料的金屬鋰全電池中，0.5 C（2小時(shí)充放額定容量）倍率下經(jīng)過(guò)250次循環(huán)仍具有較高的容量保持率，電池的平均庫(kù)倫效率和金屬鋰表面的平整度均遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)酯類液態(tài)體系電池。該研究在金屬鋰的界面行為規(guī)律認(rèn)識(shí)上邁出了重要一步，也為其它界面材料的拓展及高壓電池的開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域提供了新的研究思路（圖2）。
圖2 固液混合界面提升高壓電池的高電壓穩(wěn)定性
該研究工作得到審稿人的高度評(píng)價(jià)，同時(shí)入選了《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》期刊VIP論文（前5%）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.201908874
X-mol 網(wǎng)站評(píng)述鏈接：https://www.x-mol.com/news/18572
附作者簡(jiǎn)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(kāi)展能源界面化學(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62，30余篇為ESI高被引論文。入選2015年首屆中國(guó)科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃，獲評(píng)中國(guó)化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)，2018年科睿唯安高被引科學(xué)家，2018年國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖人才等。
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