刘凯课题组在低温快充锂金属电池方面取得重要进展

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近日，化工系刘凯课题组通过对电解液的分子间作用力调控，突破了常规双电层结构的束缚，在低温快充锂金属电池方面取得重要进展。通过在电解液中加入新颖的“电压刺激响应添加剂”，在充电过程中，其可自发迁移到正极/电解液界面上，并选择性地与阳离子和游离溶剂结合，可以在双电层（EDL）内层形成独特的富含阳离子和支链状的超分子聚合物结构，构筑了一种独特新颖的“富锂离子-贫溶剂”双电层，其具有自适应和钝化特性，显著降低了醚基电解液在高电压正极表面的分解，由此，电池表现出优异的性能，例如超快速充放电和超低温应用，这在传统电解液设计中是很困难的。非常规的EDL结构打破了对经典EDL重排机制的固有认知，极大地提高了器件的电化学性能。

图1 添加剂作用机理示意图

         低温下（低于-20℃）锂电池容量和寿命迅速衰减，是冬季电动汽车性能不佳的主因。主要原因是目前广泛应用的电解液（基于碳酸酯基溶剂）在低温下粘度显著提升，本体和界面离子迁移率下降。另外，更高容量的锂金属负极不能与常规的碳酸酯基电解液搭配使用（副反应严重和枝晶不可控生长，库伦效率低和循环稳定性差）。
针对这个性能瓶颈问题，刘凯课题组选用具有更低的凝固点和更低粘度的醚类电解液，并加入“刺激响应添加剂”，其可在正极/电解液界面构建了动态高稳定双电层(图1)。这种非传统双电层重排机制提升了醚基电解液耐氧化稳定性，且没有损失本体电解液原有的性质。充电状态下，这种添加剂可在电压驱动下快速迁移到正极界面，与锂离子、溶剂形成“超分子动态网络结构”。在此动态网络结构中，具有丰富的锂离子，使双电层处于“富锂离子-贫电解液”状态，将不稳定的“自由溶剂”排除出双电层，显著提升了双电层的电化学稳定性（图1）。

图2 电化学性能

         基于此新颖的双电层设计，耐低温电解液成功匹配了高压锂金属电池（高镍811正极/锂负极），并且表现出卓越的快充性能（5.0C充放循环700圈容量保持率高达90%）。该原型器件在-91℃下可获得86mAh/g的比容量，全电池在-40℃下快速充放电循环80圈容量保持率为68%（图2），超低温性能显著优于目前锂电池商用产品，为构筑低温及快充使用的高性能锂电池提供了新的方向。
         上述成果以“为高性能锂金属电池设计钝化电双层”（Engineering a passivating electric double layer for high performance lithium metal batteries）为题发表在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上，论文第一作者为清华大学化工系博士后章伟立，通讯作者为清华大学化工系刘凯助理教授。上述研究工作得到自然科学面上项目、校内自主科研计划和中国博士后基金的支持。
         论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29761-z.


         文章来源：清华大学
         刘凯，清华大学长聘副教授。2007年本科毕业于聊城大学化学化工学院，2010年在中科院长春应化所稀土资源利用国家重点实验获得硕士学位，2010年‐2014年在荷兰格罗宁根大学Zernike（诺贝尔物理学奖获得者）先进材料研究所攻读博士学位，其后继续在该研究所从事博士后研究工作。目前主要从事生物材料（核酸、多肽及蛋白复合物）的光、电、磁、力学等功能化研究，在生物液晶、生物光电子器件、生物力学及生物仿生等领域开展了多项工作。迄今共发表SCI研究论文47篇，其中以第一作者已在Nat. Commun. ，PNAS，JACS，Adv. Mater.，Chem. Eur. J.， J. Mater. Chem.等期刊发表16篇。文章总他引1400余次，H‐index24，多篇论文被选为热点文章，以及封面，卷首插图等予以亮点报道。曾获得荷兰优秀博士论文并授予cum laude 荣誉、国家优秀自费留学生奖、德国朗盛人才奖等。