湖南農業大學吳雄偉AEM：粘彈性和非易燃的界面設計實現無枝晶生長且高安全性的固態鋰金屬電池

【引言】

近幾十年，鋰離子電池由于其高的能量密度被廣泛應用于日常消費類電子產品和電動汽車等裝置，被認為是最具潛力的電化學能量轉化體系。在過去的三十年，鋰離子電池的能量密度從80 Wh?kg^-1增長到240Wh?kg^-1已接近其物理化學的極限。因此，高能量密度體系的鋰金屬電池成為研究者關注的焦點。但是，鋰金屬負極搭配有機的商業化液態電解液由于枝晶的生長易造成嚴重的熱失控，存在巨大的安全隱患。固體電解質的快速發展為解決鋰金屬電池中的安全問題提供了可靠的選擇。但是，由于固體電解質與固態的鋰負極以及正極之間的固-固界面接觸，造成了較大的容量損失和接觸損失。因此，固體電解質與固體電極之間的界面問題為固態鋰金屬電池進一步的發展提出了新的挑戰。另外，凝膠電解質體系的發展，在一定程度上緩和了固態電解質與電極之間的固-固界面問題，但是，由于有機液體電解液自身固有的易燃性，電池在高的工作溫度下的安全問題仍是潛在的威脅。因此，借助新的材料和工藝設計非易燃性且安全的固體電解質界面十分必要。

【成果簡介】

近日，在中國科學院化學研究所郭玉國老師的悉心指導下，來自湖南農業大學吳雄偉副教授成功的設計了具有粘彈性且非易燃的復合固體電解質解決了固體電解質與電極的接觸問題并實現金屬鋰的均勻沉積。該設計在固體電解質與正負極界面之間成功的構筑了鋰離子傳輸通道，進一步提升界面處的離子傳輸動力。得益于此新穎的設計，固態鋰金屬電池搭配LiFePO₄ (LFP)和LiCoO₂ (LCO)正極實現了優異的電化學性能，0.5C下經過100個循環容量保持率98%且在5C下發揮出97 mAh g-1的容量。對循環后的鋰金屬負極進行了一系列表征，結果表明在鋰負極沒有枝晶的生成，成功的實現了金屬鋰的均勻沉積。

【圖文導讀】

圖1?CPL-IL固體電解質與固態鋰金屬電池結構示意圖

示意圖(a) 具有粘彈性界面的CPL固體電解;?(b)搭配固體電解質的電池結構示意圖;?固體電解質與電極的接觸行為 (c) 正極界面處和 (d) 鋰金屬負極界面處。

圖2?CPL固體電解質結構與形貌表征

CPL聚合物電解質的掃描圖(a) 截面圖 (b)正面圖；CPL固體電解質的光學照片(c) 伸展態 (d)彎曲態；(e) 復合固體電解質的透射電鏡圖 (內嵌：選區電子衍射圖)；(f) 復合固體電解質的元素分布圖。

圖3?CPL固體電解質結構與電化學性能表征

CPL復合固體電解質的表征：(a) XRD表征; (b) 熱重曲線圖; (c) 復合固體電解質的電化學窗口測試圖; (d) 變溫阻抗測試; (e) 阿倫尼烏斯線性擬合圖; (f)直流極化曲線(內嵌：極化前后阻抗變化)。

圖4?鋰金屬固態電池電化學性能表征

Li| CPL-IL| LFP電池的 (a) 倍率性能圖;?(b) 相應的恒流充放電曲線圖;?(c) Li| CPL-IL| LCO電池不同循環的充放電曲線圖;?(d) Li| CPL-IL| LCO電池在0.5C下的循環性能圖;?(e) Li| CPL-IL| LFP電池在0.5C下的循環性能圖。

圖5?循環完后鋰金屬表面結構與成分分析

液態鋰金屬電池搭配不同正極循環后鋰負極的掃描電鏡圖 (a, e) LFP正極; (c, g) LCO正極；相應的固態電池循環完后掃描電鏡圖;?(b, f) LFP正極;?(d, h) LCO正極;?(i) 金屬鋰在液態電解質與固態電解質中的生長機制示意圖; 循環完后鋰金屬表面的原子力顯微鏡測試圖 (j)?Li| CPL-IL| LFP電池;?(k)?Li| EDDL| LCO液態電池;?循環完后鋰金屬表面的XPS結果(i) S2p, (m)C1s, (n)N1s和(o)F1s。

【總結】

通過粘彈性且安全的固體電解質界面設計成功的穩定了固體電解質與電極的界面接觸問題。在電極與固體電解質見成功的構筑了鋰離子的傳輸通道，解決了固體電解質與電極的接觸問題和實現了金屬鋰的均勻沉積。該設計為解決鋰金屬固態電池中電極與電解質界面的接觸問題提供了實際和具有潛力的解決途徑。

文獻鏈接：Advanced Energy Materials:?Viscoelastic and Nonflammable Interface Design–Enabled?Dendrite-Free and Safe Solid Lithium Metal Batteries (Q. Ma, X.-X. Zeng, J. Yue, Y.-X. Yin, T.-T. Zuo,?J.-Y. Liang, Q. Deng, X.-W. Wu,* and Y.-G. Guo, DOI：10.1002/aenm.201803854)

特別感謝：

特別感謝中國科學院化學所郭玉國研究員的幫助和指導，感謝國家重點研發計劃(No. 2016YFA0202500)、國家自然科學基金(No.51772093; No.51803054?)和中科院戰略先導(No. XDA21070300)等基金的資助。

【吳雄偉副教授簡介】

湖南農業大學吳雄偉博士、博士后、副教授、湖南銀峰新能源有限公司總經理兼首席科學家（創始人之一）、湖南農業大學1515學術帶頭人、長沙市緊缺急需高層次引進人才、湖南省杰出青年基金獲得者、湖南農業大學理學院院長助理、中國科學院化學研究所高級訪問學者、國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）-新型材料及其合成國際會議秘書長。

其團隊長期致力于儲能與動力電池相關領域的研究及應用，包括全釩液流電池關鍵材料-電極、隔膜、電解液、集流體、電堆以及電氣控制系統的研究與開發；鋰電池負極保護及其固態電解質的研究。?2011年博士畢業之后，注冊4000萬組建了湖南省銀峰新能源有限公司，負責全釩液流電池的產業化開發和推廣，組建了一支涵蓋了材料化學、冶金、機械、電力、控制、機電等一體的研發團隊，目前全釩液流電池和儲能系統正在進行產業化推廣，擔任釩電池標準委員會委員，銀峰公司有研究工作人員60余人，其中研究生30人左右，目前釩電池儲能系統(如上圖)已經銷往國內外（韓國）等地方，與多家央企達成合作協議，標志著我們產品在全球已經具有核心競爭力。

科研論文發表情況：在Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chem (Cell姐妹刊)，Journal of the American Chemical Society, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale, Journal of Power Sources, 中國科學等國內外知名刊物上發表了SCI論文50余篇; 其中以第一作者或通訊作者在影響因子20以上的論文發表5篇，影響因子9以上的論文發表11篇，申請專利20多項，日本專利1項，自2010以來在國際會議上作邀請報告6次，國內會議20余次, 參加國內外各種學術會議40余次。

項目情況：參與973項目、日本文部省JSPS博士后基金、湖南省制造強省專項資金重大產業項目（300?萬）、長沙市重點項目、主持國家自然科學基金（面上基金）、湖南省自然科學基金，湖南省杰出青年基金，湖南省雙一流學科重點項目及多項產學研合作項目。

本文由湖南農業大學吳雄偉副教授供稿，材料人編輯部編輯。

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