北理工課題組在化學(xué)類頂級(jí)期刊Angew. Chem. Int. Ed.發(fā)表高可逆鋰金屬電池界面動(dòng)態(tài)演化規(guī)律最新研究成果
發(fā)布日期：2022-03-23 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：石殊倫 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授課題組在定量研究高可逆鋰金屬電池界面動(dòng)態(tài)演化規(guī)律方面取得了重要進(jìn)展。該研究成果以《Quantification of the Dynamic Interface Evolution in High-Efficiency Working Li Metal Batteries》為題在線發(fā)表在化學(xué)類頂級(jí)國際期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》（《德國應(yīng)用化學(xué)》，影響因子15.336），并獲評(píng)閱人高度評(píng)價(jià)，入選Very Important Paper。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丁俊凡。
金屬鋰具有極高的理論比容量（3860mAh g?1）和最負(fù)的電化學(xué)電位（?3.040 V vs. the standard hydrogen electrode），是下一代高能量密度可充電電池最有前景的負(fù)極材料之一。然而，金屬鋰較差的可逆性是阻礙高比能鋰金屬電池走向?qū)嵱没M(jìn)程的嚴(yán)峻問題。在循環(huán)過程中，非活性鋰在電極/電解液界面處大量產(chǎn)生和堆積，阻礙電極表面的鋰離子遷移和電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，導(dǎo)致快速的性能衰減和嚴(yán)重的安全隱患。
北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授團(tuán)隊(duì)在最新的研究工作中定量區(qū)分了動(dòng)態(tài)循環(huán)過程中非活性鋰的組成部分，揭示了循環(huán)中主導(dǎo)非活性鋰的組成真正因素，并進(jìn)一步解析了鋰損失、電解質(zhì)化學(xué)和固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
圖1 定量區(qū)分不同電解質(zhì)中來源于SEI Li+/dead Li0的容量損失
在傳統(tǒng)的認(rèn)知之上，本研究表明由于循環(huán)過程中鋰電極/電解液界面經(jīng)歷持續(xù)的動(dòng)態(tài)演化過程，因此非活性鋰損失的主導(dǎo)形式實(shí)際上取決于dead Li0和SEI Li+的相對(duì)增長(zhǎng)速率(kLi0/kSEI Li+)。當(dāng)采用典型的醚類/酯類柔性成膜添加劑調(diào)控原有富無機(jī)產(chǎn)物SEI之后，非活性鋰表現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)行為。醚類成膜劑1,3-二氧戊環(huán)(DOL) 被發(fā)現(xiàn)有助于同時(shí)減小SEI Li+和dead Li0的增長(zhǎng)速率。
圖2 不同電解質(zhì)中SEI的組成和結(jié)構(gòu)
不同的SEI化學(xué)/結(jié)構(gòu)特性直接影響鋰沉積/脫除行為和SEI的動(dòng)態(tài)重構(gòu)過程，進(jìn)而產(chǎn)生不同dead Li0和SEI Li+增長(zhǎng)速率。系統(tǒng)性的研究表明，1,3-二氧環(huán)烷(DOL)介導(dǎo)了均勻有序?qū)訝頢EI的產(chǎn)生，有助于提高鋰金屬沉積的均勻性以及SEI的循環(huán)穩(wěn)定性，同時(shí)降低SEI Li+和dead Li0的增長(zhǎng)速率。
圖3 不同的SEI Li+和dead Li0增長(zhǎng)速率(kSEI Li+, kLi0)與金屬鋰負(fù)極的界面演化相關(guān)性的示意圖。藍(lán)色區(qū)域的非活性鋰為死鋰控制，其中kLi0/kSEI Li+>1；紅色區(qū)域的非活性鋰為SEI Li+控制，其中kLi0/kSEI Li+<1。
最終，作者通過示意圖闡明了SEI結(jié)構(gòu)、dead Li0/SEI Li+增長(zhǎng)速率和界面動(dòng)態(tài)演化進(jìn)程之間的相關(guān)性，定量解析了鋰金屬負(fù)極的界面動(dòng)態(tài)演化過程，為合理設(shè)計(jì)制造下一代高能量密度電池的高可逆性鋰負(fù)極提供了依據(jù)。
論文詳情：
Non-Solvating and Low-Dielectricity Cosolvent for Anion-Derived Solid Electrolyte Interphases in Lithium Metal Batteries
Jun-Fan Ding, Rui Xu, Xia-Xia M, Ye Xiao, Yu-Xing Yao, Chong Yan, Jia-Qi Huang*
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202115602
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。主要開展能源界面化學(xué)研究。發(fā)表SCI論文200余篇，其中60余篇為ESI高被引論文，h因子89。擔(dān)任中國顆粒學(xué)會(huì)青年理事會(huì)理事，J. Energy Chem.、InfoMat編委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年編委。曾獲評(píng)2016年中國化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，2018年中國顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)等；2018-2021年連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。
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