近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦课题组在材料类顶级国际期刊《Advanced Energy Materials》（《先进能源材料》，影响因子25.245）发表了题为《Toward the Scale-Up of Solid-State Lithium Metal Batteries: The Gaps between Lab-Level Cells and Practical Large-Format Batteries》的综述文章，聚焦固态电解质锂金属电池的实用化瓶颈。本文的通讯作者为北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦教授，第一作者为北京理工大学材料学院/前沿交叉科学研究院博士研究生徐磊。
       固态电解质由于具备高稳定性、低可燃性、无泄漏和爆炸危险等优点，是取代传统可燃电解质实现高安全性锂电池的不二之选。同时，具有宽电化学窗口和高机械强度的固态电解质能够充分发挥锂金属负极和高压正极的优势，实现高安全性高能量密度锂金属电池的构建。然而，目前实验室级别的研究结果难以完全支撑固态电池应用化的需求，相较于可实用体系电池仍存在一定的差距。

图1. 固态电解质与固态电池的发展历程

        文章简要回顾了固态电解质的发展历程（如图1所示），总结了近年来固态电解质及其在锂金属电池中的应用，强调了固态电解质锂金属电池实现高能量密度、高安全性的巨大潜力。文章指出目前实验室级别的研究通常在较为温和的条件下进行评测，一些先进的指导性策略难以在实用化系统电池中发挥效用。相较于实用化软包电池，实验室模型体系级别的电池在结构、材料制备、电池装配和评测过程中存在很大的体系差异。因此，对固态电池放大过程中科学问题的深入理解，以及将实验室级别的策略与大规模生产技术的结合，是实现固态电解质锂金属电池实用化的关键。

图2. 固态电解质锂金属电池从模型体系放大过程中面临主要挑战

       文章从固态电解质、正极、负极和电池构型四个方面出发，详细论述了其放大过程中存在的挑战和未来的机遇，归纳了电池放大过程中存在的共性问题和主要差异（图2）。重点讨论了工业化生产条件下，固态锂金属电池各组分在结构、制备和组装过程中的具体要求。着重强调了其中极具潜力的发展方向，如干电极制备方法、正极支撑的电池装配法和基于叠片技术的双电极技术方案等。论文还指出软包电池制备工艺与固态电解质兼容性好，可能有利于发挥固态电池高能量密度的优势。该综述有望为今后固态电解质的研究和电池制造技术的开发提供参考。


       附作者简介：
       黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。主要开展高比能电池能源化学研究。在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Sci. Bull.等期刊发表研究工作100余篇，h因子为77，其中50余篇为ESI高被引论文。入选首届中国科协青年人才托举计划，获评中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，中国颗粒学会青年颗粒学奖，2018-2020年科睿唯安高被引科学家等。
论文详情：Lei Xu, Yang Lu, Chen‐Zi Zhao, Hong Yuan, Gao‐Long Zhu, Li‐Peng Hou, Qiang Zhang, Jia‐Qi Huang*. Toward the Scale‐Up of Solid‐State Lithium Metal Batteries: The Gaps between Lab‐Level Cells and Practical Large‐Format Batteries, Advanced Energy Materials, 2020, 2002360.
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202002360

近日，北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授课题组针对纳米材料在锂金属电池中的应用进行系统性综述。主要介绍了纳米结构负极骨架和纳米人工SEI的研究进展，并展望了高比能锂金属电池的发展方向。相关综述论文发表在Wiley出版社旗下新期刊Nano Select上（DOI: 10.1002/nano.202000003）。

       纳米结构锂金属负极：锂金属负极在循环过程中会遭受剧烈的体积膨胀/收缩，导致剧烈的枝晶生长和电极粉化。纳米骨架的引入有效限制了体积变化，引导锂金属均匀沉积。基于骨架材料的电学性质，纳米锂金属负极骨架可分为导电纳米骨架与不导电纳米骨架。导电纳米骨架的活性表面积比平板材料高几个数量级，可以极大地降低导电纳米骨架的局部电流密度，显著缓解由于连续电沉积造成的锂离子浓度梯度以及离子耗竭。不导电纳米结构骨架材料中的纳米尺度离子孔道能够调节锂离子的扩散，与平面电极相比，锂离子在纳米骨架中得到了有效的重新分布，有助于实现均匀的锂沉积。另外，其不导电特性保证了自下而上的锂沉积方式，这对骨架的高效利用有重要意义。不导电骨架中丰富的纳米孔结构为电解液浸润和锂沉积提供足够空间。此外，不导电骨架材料表面的极性官能团可以吸附锂离子，从而补偿由连续镀锂所引起的离子梯度。
       纳米人工SEI：由于锂金属自身高反应活性，与非水电解液接触后会马上产生SEI。原始的SEI难以维持稳定长循环。在锂金属表面构建纳米尺度人工界面被证明是显著提高锂金属负极的可循环性的有效策略。根据制备方法的不同，锂金属与电解质之间的保护膜可分为两种：原位构建的人工SEI（图5）和非原位法制备的保护涂层（图6）。原位法主要通过原位化学反应调控SEI的组成和纳米结构，具有简易、低成本，易于工业放大的特性。同时，原位生成的过程确保了SEI与金属锂的紧密贴合。然而，难以精确调控SEI组分与纳米结构的内在缺陷阻碍了原位法的进一步发展。非原位的方法的出现弥补了以上的不足。非原位人工SEI主要通过溶液刮涂、物理气相沉积（磁控溅射等）、化学气相沉积（原子层沉积、分子层沉积等）方法实现。先进的技术手段实现了纳米尺度界面层的均匀可控沉积，为实现高比能锂金属电池提供了新的可能性，但其较高的成本和局限的原材料需要研究人员进一步考虑。
        锂金属负极的高活性、枝晶的剧烈生长、SEI的不稳定性严重阻碍了锂金属电池的应用。纳米技术和纳米材料为锂金属保护带来了全新的见解与进展。为了进一步提高提升锂金属电池的寿命与安全性，未来在发展先进的原位纳米表征手段；深入理解复杂电池界面的内部机理；持续优化纳米材料的结构和功能；发展具有高安全性和电/化学稳定性的固态电解质；深入结合理论方法与实验研究等方面仍具有广阔的研究及发展空间。

北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦课题组详细总结了固态电解质中金属锂枝晶的生长机理，该研究探讨了聚合物和无机固态电解质中的枝晶生长模式，分析了现有的枝晶抑制策略存在的问题，并展望了固态电解质中抑制锂枝晶的下一步研究重点。该研究成果以《Controlling the Dendrite Growth in Solid-State Electrolytes》为题在线发表在能源材料类顶级国际期刊《ACS Energy letters》（《美国化学会－能源快报》，影响因子16.331）上。本文的通讯作者为黄佳琦教授，第一作者为北京理工大学材料学院/前沿交叉科学研究院博士后刘鹤，合作单位包括清华大学、深圳大学、德累斯顿工业大学、弗劳恩霍夫研究协会材料与束技术研究所。

图1（a）无缺陷的理想固态电解质具备抑制枝晶生长的潜力；（b）实际固态电解质由于自身缺陷和较差的界面行为，存在严重的金属锂枝晶生长行为。

　金属锂负极作为电池领域的“圣杯”电极，有望显著提高电池的能量密度，但严重的枝晶生长问题限制了其实际应用。一般认为，固态电解质的高机械模量，能够有效的抑制金属锂负极的枝晶生长（图1a）。而且，固态电解质具有不燃、不易泄露、宽电压窗口等优异特性，被认为是替代液态电解质的理想材料。但是，随着研究的不断深入，研究者发现，在实际工作的金属锂电池中，由于固态电解质本身的缺陷和不均匀固固界面的存在，使得固态金属锂电池中仍然存在严重的枝晶生长问题。固态电解质中枝晶导致的短路问题可能比液态电解质更加严重（图1b）。
　　该研究团队首先分析了聚合物材料中的枝晶生长行为。聚合物材料的柔性好，易于大面积制备，已经在商业上有成功的案例。但是由于其离子导率和锂离子迁移数都较低，使得聚合物材料需要在高温下操作，降低了其机械模量。聚合物电解质中的枝晶生长问题较为显著，通过掺杂和复合等策略可以在一定程度上调控锂离子的沉积行为，缓解枝晶的出现。
　　相比于聚合物电解质，无机固态电解质的机械模量高、离子导率和锂离子迁移数都较高，被认为是理想的抑制枝晶生长材料。但是，无机电解质中的晶界、孔洞、一定的电子导电性、与金属锂差的固固界面接触等原因，使得无机固态电解质仍然存在严重的枝晶生长问题。
　　该工作通过详细分析固态电解质中金属锂枝晶的生长行为，为固态金属锂电池中的锂离子输运和沉积行为调控提供了新的理解，为实现安全且高效的固态金属锂电池提供了新思路和新方法。
　　论文详情：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b02660。

北京理工大学黄佳琦教授课题组在Angewandte Chemie-International Edition上发表题为“Challenges and Opportunities towards Practical Lithium–Sulfur Batteries under Lean Electrolyte Conditions”的综述文章。本综述旨在对锂硫电池实际应用中实现贫电解液的潜在途径进行总结性评估。首先，讨论了Li-S电化学转换机制在贫电解液条件下的原理，结构和挑战。然后，系统地分析了E/S比对能量密度和电池成本的影响。此外，讨论了目前关于正极成分和结构设计的策略，通过非均相电催化或均相氧化还原介导的活性材料调节，以及基于硫正极通过溶解-沉积转化或固-固转变的电化学反应的电解质工程。 最后，提出了关于贫电解液Li-S电池的观点，以便对锂硫电池的基础和工程研究的未来方向提供指导性意见。

锂金属凭借其高理论比容量和最低氧化还原电势而被认为能够实现高理论比容量。向锂金属中引入准固态电解质能够同时克服常规液态电解质所带来的安全问题和所有固态电解质所面临的高界面电阻问题。然而，有关准固态锂金属电池的细致研究仍然十分匮乏。

在本文中，北京理工大学黄佳琦等通过将厚约50nm的准固态电解质Li3OCl覆盖在锂金属表面有效降低了负极的极化。在常规的1M LiPF6 EC-DEC的电解液体系中存在着严重的溶剂分解和使用寿命短暂等问题，但准固态电解质能够抑制电解液溶剂在4.5V处的分解。该工作对准固态界面的新认识丰富了工作电极界面能化学的知识层次。这对于这对实现更好的准固态界面、实现4.5V高压充电电池的长寿命具有重要的参考价值。

Chong Yan, Jiaqi Huang et al, 4.5 V High-Voltage Rechargeable Batteries Enabled by the Reduction of Polarization on Lithium Metal Anode, Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI: 10.1002/ange.201908874

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201908874?af=R