中國金宝搏入口188在高比能鋰金屬電池研究中取得新進展
近日，188bet足球化學與材料科學學院焦淑紅教授團隊，聯合北京大學徐東升教授、中國科學院物理研究所王雪鋒研究員和蘇州大學程濤教授團隊，在高能量鋰金屬電池領域取得突破性進展。研究人員通過調控電解液在介觀尺度下的鋰離子溶劑化結構，設計了一種緊密離子對聚集體（CIPA）電解液，從而實現了500Wh?kg?1鋰金屬電池的穩定運行。相關成果以“Towards long-life 500?Wh?kg?1lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes”為(wei)題(ti)，于7月8日發表在Nature Energy雜志(zhi)上。
鋰金屬電池具有極高的理論能量密度（> 500Wh?kg?1），約為(wei)目前商業(ye)化(hua)鋰(li)(li)(li)離子電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)2倍(bei)，因此(ci)被視為(wei)下(xia)一代(dai)高比能電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)主要(yao)(yao)技(ji)術路線(xian)。鋰(li)(li)(li)金屬(shu)電(dian)池(chi)(chi)目前存在(zai)的(de)(de)主要(yao)(yao)挑戰是循(xun)環(huan)壽命(ming)較(jiao)短(duan)，限制了其實際應用。近年來，國內外的(de)(de)研究(jiu)團隊開(kai)發(fa)了多種電(dian)解(jie)液(ye)(ye)體系，如高濃鹽電(dian)解(jie)液(ye)(ye)、局(ju)域高濃鹽電(dian)解(jie)液(ye)(ye)、液(ye)(ye)化(hua)氣電(dian)解(jie)液(ye)(ye)和弱溶劑(ji)(ji)化(hua)電(dian)解(jie)液(ye)(ye)等，通過優化(hua)電(dian)解(jie)液(ye)(ye)的(de)(de)微觀(guan)結構尤其是對鋰(li)(li)(li)離子的(de)(de)第一溶劑(ji)(ji)化(hua)殼層進(jin)行設(she)計和優化(hua)，鋰(li)(li)(li)金屬(shu)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)性能取得了顯(xian)著(zhu)提升。但是，這(zhe)些電(dian)解(jie)液(ye)(ye)策略在(zai)平衡正(zheng)負極穩定性方面(mian)仍(reng)然(ran)存在(zai)很(hen)多問題，使得鋰(li)(li)(li)金屬(shu)軟(ruan)包(bao)電(dian)池(chi)(chi)很(hen)難同(tong)時取得高能量密度(du)和長循(xun)環(huan)壽命(ming)。
針對以上問題，作者提出了一種超越第一溶劑化殼層尺度的電解液設計策略，使陰陽離子對通過緊密堆積的方式形成三維聚集體（AGG）結構，在保持鋰金屬軟包電池高能量密度的同時，大幅提升了其循環壽命（圖1）。同步輻射光源的X射線散射技術和理論計算模擬的結果表明，在緊密離子對聚集體（CIPA）電解液中，多個離子對之間通過配位作用相互連接，形成鋰離子相互距離為6?左右、最大長度為3~4納米的大尺寸緊密聚集體結構。然而，傳統電解液中聚集體的尺寸普遍較小，長度為1納米左右，且鋰離子之間的相互距離為8?左右。得益于緊密離子對聚集體（CIPA）電解液的緊密離子對聚集體（CIPA）結構，該電解液在鋰金屬負極表面形成了以無機物為主、平均厚度約為6.2納米左右的固體電解質界面膜（SEI），從而顯著提升了鋰金屬負極的界面穩定性。同時，該電解液能大幅抑制氧化物正極材料的不可逆界面變化，減少了電解液在正極界面的副反應。利用該電解液，采用高鎳正極材料（LiNi0.905Co0.06Mn0.035O2）設計了能量密度為505.9 Wh kg?1的鋰(li)金屬軟(ruan)包電池，并實(shi)現了130次（約2750小時）穩定循環，顯著(zhu)優于目前已(yi)經報道的文(wen)獻結果。
圖1：CIPA電(dian)解液的設計理(li)念和鋰金(jin)屬軟包電(dian)池性能(neng)
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論文鏈接：//doi.org/10.1038/s41560-024-01565-z
（化學與材料科學學院、科研(yan)部）
