黄佳琦课题组在高电压电池固液界面研究领域取得重要进展

xiucai

国际化学与材料领域顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition，影响因子12.2）报道了北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦课题组在电池低界面极化固液混合界面中的的原创性研究成果，题目为“4.5 V High-Voltage Rechargeable Batteries Enabled by the Reduction of Polarization on the Lithium Metal Anode”。该工作第一单位为北京理工大学，通讯作者为北京理工大学黄佳琦教授，第一作者为材料学院/前沿交叉院博士研究生闫崇。该工作得到科研领域内著名网站X-MOL的专题评述。

　　社会对于高比能电池的需求与日俱增，纯石墨负极已难以解决大众对于锂离子电池续航焦虑的问题。而金属锂具有极高的理论比容量（3860mAh/g）和低的电极电势（-3.08 V vs SHE）有望在高能量密度电池体系中发展成为石墨负极材料的优良替代品。以金属锂为电极的锂硫电池，锂空电池的研究报道经常进入大众视野；三元镍钴锰正极（NCM）和富锂锰基（LNMO）正极材料在匹配金属锂电极组成全电池方面因能量密度上有至少20% 提升正在被研究探索。

　　近期关于金属锂电极的研究热点集中在固态电池领域，主要原因是固态电解质能解决液态电解液带来的安全问题，但固态电池同样面临着相关的难题，比如固固接触条件下锂离子的移动速度慢，电池运行过程中的极化电压大等。因此，在固态电解质中加入少量的液体电解液充分润湿电极和电解质接触的界面，兼顾解决了电池的安全问题和固固接触的问题。然而，受限于表征手段的匮乏，领域内对于固液混合界面的认知处于初级阶段，尚有诸多理论需要被完善。针对该领域的迫切需求，黄佳琦课题组采用三电极的研究方法对于固液混合界面行为进行表征，探究了不同液固界面下的锂离子输运行为差异。结果表明，引入固液混合的界面能显著降低电极表面的过电势，抑制电极界面处的副反应。采用镍钴铝（NCA）氧化物作为正极，在4.5 V高压金属锂电池体系中验证了该结论的有效性。

　　该团队采用反钙钛矿结构的Li3OCl固态电解质材料在负极表面获得了厚度可控的固态电解质涂层。电池循环时加入痕量的电解液（0.8 微升/克活性物质）用来润湿电解质层及电极，获得电池测试过程中固液混合的负极-电解液界面。三电极电化学测试结果表明，相比于传统的液态体系下的极化电压，该固液混合界面下金属锂负极表面的过电势显著降低。在循环伏安测试和线性扫描伏安测试曲线中，该具有固液混合界面的电池体系能够在4.5 V电压范围内保持稳定，而常规的酯类体系在较低电压窗口下已发生氧化分解。匹配三元镍钴铝（LiNi0.85Co0.1Al0.05O2, NCA）高电压窗口（3.0-4.5 V）正极材料的金属锂全电池中，0.5 C（2小时充放额定容量）倍率下经过250次循环仍具有较高的容量保持率，电池的平均库伦效率和金属锂表面的平整度均远优于常规酯类液态体系电池。该研究在金属锂的界面行为规律认识上迈出了重要一步，也为其它界面材料的拓展及高压电池的开发等领域提供了新的研究思路。

　　该研究工作得到审稿人的高度评价，同时入选了《德国应用化学》期刊VIP论文（前5%）。

　　原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.201908874

黄佳琦，男，1984年出生，博士。2003年进入清华大学化学工程系学习，分别于2007年和2012年取得工学学士及工学博士学位，其中2010年10月至2011年3月在美国莱斯大学访问学习。2016年结束清华大学博士后阶段的工作后任职北京理工大学。主要从事前沿纳米能源材料领域相关研究。作为课题负责人承担中国科协青年人才托举计划、自然科学基金青年基金、中国博士后基金特别资助等项目，参与国家重点研发计划“纳米专项”等项目。在碳纳米材料可控制备，及其在新型电池中的功能化应用方面开展研究工作：1) 碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料的可控制备及自组装研究，及其在锂硫电池三维正极材料中的应用；2) 锂硫电池及其他新型电池系统中的多功能隔膜设计和应用，大幅提升电池的库伦效率和循环稳定性；3) 面向实用化锂硫电池所需高载硫、低电解液的需求，构筑大容量的软包锂硫电池所需的电极及隔膜技术。