李先锋、张洪章发现内共生氮化锂/纤维素层可延长锂金属负极循环寿命

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近日，我所储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员、张洪章研究员带领的研究团队，在具有长循环寿命的锂金属电池研究方面取得新进展。
　　锂金属具有理论容量密度高（3860 mAh/g）、电化学电势低（-3.040 V vs. SHE）等特点，是理想的高能量密度电池负极。然而锂金属活性高，容易与传统电解质发生不可控的副反应，形成固态电解质界面层（SEI）的化学和机械稳定性较差：一方面，循环过程中SEI的反复破裂会加速死锂的形成和不可逆的活性锂/电解质损失；另一方面，溶剂诱导形成的SEI机械性能较差，不足以抑制锂枝晶的生长，导致枝晶刺穿隔膜造成电池短路。

　　本工作中，该团队在电解液中引入一种新型添加剂——硝化纤维素，构建内共生的氮化锂/纤维素双层SEI（ES-DSEI），并用于锂金属电池中。ES-DSEI在用于锂金属保护中具有独特的优势：硝化纤维素会优先与锂反应，一步实现在锂表面构建聚合物/无机层；外层的柔性聚合物层能够适应锂金属在循环过程中的体积变化，其强粘附性还能抑制内层无机物的剥离；内层的无机层具有机械强度高的特点，可以抑制枝晶的生长，且晶型的氧化锂和氮化锂层也有利于锂离子传输。该团队利用密度泛函理论模拟计算证明，相较于锂盐阴离子和溶剂，硝化纤维素具有更低的最低未占据分子轨道（LUMO）能量。此外，硝化纤维素的硝基基团更易于与金属锂反应，在近锂内层形成LiNO2等无机物种，而其主链则靠Li-O键紧密吸附在远锂外层。与未添加硝化纤维素的电解液相比，锂负极在含有硝化纤维素为添加剂的电解液中循环寿命提高了一倍。该工作为长寿命锂金属负极的设计提供了新思路。
　　相关研究以题为“Endogenous Symbiotic Li3N / Cellulose Skin to Extend the Cycle Life of Lithium Anode”发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。该工作的第一作者是我所DNL1701组2017级博士研究生罗洋。上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发项目、中科院青年创新促进会等项目的资助。（文/图 罗洋）
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202017281


       文章来源：大连化物所
      李先锋，男，1979年7月生于山东沂水，中国科学院大连化学物理研究所，研究员，博士生导师。中组部“万人计划”青年拔尖人才，中科院卓越青年科学家获得者，辽宁省百千万人才工程“百层次”人才。大连化学物理研究所储能技术研究部部长，电池材料与关键技术研究组长。长期从事大规模电化学储能技术的研究开发工作。成果荣获包括“2015年国家技术发明二等奖”（排名3），中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者，排名2）、 “辽宁省技术发明二等奖”（排名第2）等科技奖励。获 “中国科学院卢嘉锡青年人才奖”，“第三届“中科院沈阳分院优秀青年科技人才奖”，“辽宁省青年科技奖”，等奖励。入选中组部青年拔尖人才计划，中国科学院卓越青年科学家项目、大连市杰出青年科技人才等。为首届中科院青年创新促进会会员，中国膜工业协会电驱动膜专业委员会委员，中国材料研究学会青年工作委员会理事。迄今为止共发表SCI论文100余篇，其中Energy & Environmental Science 6篇，Angew. Chem. Int. Ed 1篇， Advanced Functional Materials 2篇，Nano energy 1篇。迄今为止，论文他引次数2500余次， H 因子30。2015年开始担任“Scientific Reports”杂志编委。申报发明专利100余项，国际专利6项。授权20余项。作为负责人主持国家科技部973计划课题、国家自然科学基金，中组部青年拔尖人才计划项目、中科院重要方向性项目等多项项目与课题。
       张洪章，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，硕士生导师。高比能量电池技术研究学者。汉族，1986年4月生于山东滨州。2008年7月毕业于山东大学化工系。2008年9月，在中国科学院大学大连化学物理研究所攻读工学博士学位。2013年破格入选大连化学物理研究所百人计划，现任中国科学院大连化学物理研究所副研究员、高性能储能电池关键材料研究组组长。先后从事新体系液流电池、液流电池膜材料、锂硫电池技术、锂离子电池技术、超级电容器技术、铅碳电池技术等研究。共发表研究论文30余篇，包括第一作者Energy&Environmental Science 3篇，通讯作者Advanced Function Materials 1篇，申报发明专利60余项。主持国家自然科学基金两项，参与编写英文书籍2部、中文书籍1部。获得省部级科技发明二等奖3项。