北理工在高電壓電池固液界面研究領域取得重要進展
發布日期：2019-08-29 供稿：前沿交叉院
編輯：石殊倫 審核：王博 閱讀次數：
日前，國際化學與材料領域頂級期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition，影響因子12.2）報道了北京理工大學前沿交叉科學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，通訊作者為北京理工大學黃佳琦教授，第一作者為材料學院/前沿交叉院博士研究生閆崇。該工作得到科研領域內著名網站X-MOL的專題評述。
社會對于高比能電池的需求與日俱增，純石墨負極已難以解決大眾對于鋰離子電池續航焦慮的問題。而金屬鋰具有極高的理論比容量（3860mAh/g）和低的電極電勢（-3.08 V vs SHE）有望在高能量密度電池體系中發展成為石墨負極材料的優良替代品。以金屬鋰為電極的鋰硫電池，鋰空電池的研究報道經常進入大眾視野；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。
近期關于金屬鋰電極的研究熱點集中在固態電池領域，主要原因是固態電解質能解決液態電解液帶來的安全問題，但固態電池同樣面臨著相關的難題，比如固固接觸條件下鋰離子的移動速度慢，電池運行過程中的極化電壓大等。因此，在固態電解質中加入少量的液體電解液充分潤濕電極和電解質接觸的界面，兼顧解決了電池的安全問題和固固接觸的問題。然而，受限于表征手段的匱乏，領域內對于固液混合界面的認知處于初級階段，尚有諸多理論需要被完善。針對該領域的迫切需求，黃佳琦課題組采用三電極的研究方法對于固液混合界面行為進行表征，探究了不同液固界面下的鋰離子輸運行為差異。結果表明，引入固液混合的界面能顯著降低電極表面的過電勢，抑制電極界面處的副反應。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證了該結論的有效性。
圖1 厚度可控的固態電解質層（500nm厚固態層對應面載量0.113mg/cm2）
該團隊采用反鈣鈦礦結構的Li3OCl固態電解質材料在負極表面獲得了厚度可控的固態電解質涂層（圖1）。電池循環時加入痕量的電解液（0.8 微升/克活性物質）用來潤濕電解質層及電極，獲得電池測試過程中固液混合的負極-電解液界面。三電極電化學測試結果表明，相比于傳統的液態體系下的極化電壓，該固液混合界面下金屬鋰負極表面的過電勢顯著降低。在循環伏安測試和線性掃描伏安測試曲線中，該具有固液混合界面的電池體系能夠在4.5 V電壓范圍內保持穩定，而常規的酯類體系在較低電壓窗口下已發生氧化分解。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小時充放額定容量）倍率下經過250次循環仍具有較高的容量保持率，電池的平均庫倫效率和金屬鋰表面的平整度均遠優于常規酯類液態體系電池。該研究在金屬鋰的界面行為規律認識上邁出了重要一步，也為其它界面材料的拓展及高壓電池的開發等領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定性
該研究工作得到審稿人的高度評價，同時入選了《德國應用化學》期刊VIP論文（前5%）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.201908874
X-mol 網站評述鏈接：https://www.x-mol.com/news/18572
附作者簡介：
黃佳琦，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師，九三學社社員。主要開展能源界面化學研究。在Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Adv Mater, Adv Funct Mater, Sci Bull等期刊發表研究工作100余篇，h因子為62，30余篇為ESI高被引論文。入選2015年首屆中國科協青年人才托舉計劃，獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎，中國顆粒學會青年顆粒學獎，2018年科睿唯安高被引科學家，2018年國家萬人計劃青年拔尖人才等。
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