崔光磊课题组2020年在金属锂、固态电解质方面进展

固态电解质技术 金属锂技术
电化学能源    2021-02-02    462
一、锂金属电池中LiH的形成/分解平衡及其对阳极失效的贡献
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发现锂阳极失效的根本原因是锂金属电池(LMB)应用迈出的关键一步。在这项工作中,我们在新型的在线气体分析质谱(MS)系统中进行了氘氧化(D2O)滴定实验,以确定从实际LiCoO2中拆卸下来的循环锂阳极中金属锂和氢化锂(LiH)的含量/ Li LMB。实际的电池由超薄锂阳极(50μm),高负荷LiCoO2(17 mg cm-2、2.805 mAh cm-2)和不同配制的电解质组成。我们的结果表明,LiH的积累量与实际LMB的可循环性负相关。更重要的是,我们揭示了一个温度敏感平衡(Li + 1 / 2H2 2 LiH),该平衡决定了Li阳极处LiH的形成和分解过程。


Angewandte Chemie International Edition ( IF 12.959 ) Pub Date : 2021-01-19 , DOI: 10.1002/anie.202013812. Gaojie Xu; Jiedong Li; Chao Wang; Xiaofan Du; Di Lu; Bin Xie; Xiao Wang; Chenglong Lu; Haisheng Liu; Shanmu Dong; Guanglei Cui; Liquan Chen
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202013812


二、固态锂电池用锂导电聚合物电解质的高分子设计

在固态锂电池的开发中,固态聚合物电解质(SPE)因其热和化学稳定性,低密度和良好的可加工性而受到广泛关注。特别是,SPE有效地抑制了锂枝晶的形成并提高了电池的安全性。但是,大多数SPE衍生自具有简单官能团的基质,该基质具有离子电导率低,电导率改性后机械性能下降,电化学稳定性差和锂离子转移数低的缺点。将具有多个官能团的高分子设计应用于聚合物基体被认为是从根本上解决固相萃取问题的策略。在这篇综述中,总结了基于锂导电基团的大分子设计,包括共聚,网络构建和接枝。与此同时,本文还重点介绍了单离子导体聚合物的结构。此外,为了进一步提高SPE的性能,对设计的基体,锂盐和填料之间的协同作用进行了综述。最后,在高能量密度和耐用性的固态电池SPE的开发中,提出了关于高分子设计的未来研究。

Small ( IF 11.459 ) Pub Date : 2020-12-21 , DOI: 10.1002/smll.202005762
Nan Meng; Fang Lian; Guanglei Cui
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202005762

三、原位形成的全非晶聚(环氧乙烷)基电解质,可实现固态锌电化学
可充电锌(Zn)离子电池的复兴被常规水电解质中枝状晶体生长和复杂的副反应的根深蒂固的问题所掩盖。基于聚环氧乙烷(PEO)的固态聚合物电解质(SPEs)有望解决这些问题,但是由于Zn的高度结晶,有效的Zn 2+传导和适当的Zn电化学已经难以实现。PEO及其与硬质锌金属的界面不相容性。在这里,我们通过原位但手工挑选的单体聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯的原位聚合绕过了这些障碍,聚环氧乙烷甲基醚丙烯酸酯的特征是带有带有环氧乙烷侧链的长侧链,从而构成了全非晶态Zn2+首次使用SPE。长的侧链有利于非晶基体的形成,而原位工艺赋予相容的电解质/电极界面,从而导致高的环境离子电导率(2.87×10 -5 S cm -1)和低的界面电阻。这种SPE在固态Zn / Zn对称电池和可再充电的Zn / Mo 6 S 8电池(具有长寿命)中的展示标志着高度可逆且无枝晶的Zn电化学。我们的研究结果不仅为锌奠定了基础,而且为体积和界面离子迁移较差的其他多价金属电池构建可充电全固态电池奠定了基础。

Chemical Engineering Journal ( IF 10.652 ) Pub Date : 2020-12-11 , DOI: 10.1016/j.cej.2020.128096,Zhiming Zhao; Jinzhi Wang; Zhaolin Lv; Qinglei Wang; Yaojian Zhang; Guoli Lu; Jingwen Zhao; Guanglei Cui
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720342121

四、全固态电池中空间电荷层对界面锂离子迁移的原位可视化

空间电荷层(SCL)通常被认为是全固态锂离子电池(ASSLIB)中界面锂离子迁移缓慢的原因之一。然而,在基于硫化物的ASSLIB中,SCL对界面锂离子迁移的原位可视化仍然是一个巨大的挑战。在这里,我们通过研究高压LiCoO 2 /银辉石Li 6 PS 5上的净电荷密度分布,直接观察到SCL导致的电极/电解质界面锂离子积累Cl界面采用原位差分相衬扫描透射电子显微镜(DPC-STEM)技术。此外,我们还演示了内置电场和化学势耦合策略,可通过原位DPC-STEM技术和有限元方法模拟来减少SCL的形成并促进锂离子在电极/电解质界面上的传输。我们的发现将显着提高对ASSLIBs中SCL机理的基础科学理解,并为合理的电极/电解质界面设计提供高性能的ASSLIBs。

Nature Communications ( IF 12.121 ) Pub Date : 2020-11-18 , DOI: 10.1038/s41467-020-19726-5. Wang, L., Xie, R., Chen, B. et al. In-situ visualization of the space-charge-layer effect on interfacial lithium-ion transport in all-solid-state batteries. Nat Commun 11, 5889 (2020).https://doi.org/10.1038/s41467-020-19726-5

五、基于阴离子-溶剂配位的镁金属阳极固体电解质相间调控新策略

镁(Mg)金属阳极是各种高能量密度金属阳极中非常需要的候选材料,与锂金属相比,它具有更高的容量和更好的安全性。然而,常规Mg电解质中的大多数Mg盐容易与Mg金属反应形成阻挡层,从而导致Mg电镀/剥离的可逆性差。在这里,通过通过阴离子-溶剂配位调节以铝(III)为中心的阴离子Mg盐的分子轨道能级,在Mg金属阳极上成功构建了稳定的Mg 2+导电固体电解质相(SEI)。其中,全氟化品酸铝铝酸盐Al(O2C2(CF3)4)2)的LUMO能级,缩写为FPA)阴离子通过与溶剂分子(四氢呋喃)配位来调节,以促进有利的SEI的形成。FPA阴离子形成的SEI的存在极大地改善了Mg镀层/剥离过程的可逆性和长期稳定性。更重要的是,基于这种以铝(III)为中心的Mg电解质,Mo6 S8 / Mg电池可实现9000个循环的出色循环性能,证明了SEI对Mg电池系统循环稳定性的有益作用。这些发现为在镁金属阳极上构建稳定且兼容的SEI开辟了一条有希望的途径,并为成功开发可充电镁金属电池奠定了重要基础。

Small ( IF 11.459 ) Pub Date : 2020-11-17 , DOI: 10.1002/smll.202005424
Kun Tang; Aobing Du; Xiaofan Du; Shanmu Dong; Chenglong Lu; Zili Cui; Longshan Li; Guoliang Ding; Fengxian Chen; Xinhong Zhou; Guanglei Cui

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202005424

六、LiDFOB引发的新型共晶溶液的原位聚合可实现室温固态锂金属电池
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图片由二氟(草酸)硼酸锂(LiDFOB)引发的原位聚合可以将包括1,3,5-三恶烷(TXE)和丁二腈(SN)的新型共晶溶液转化为固态聚合物电解质(SPE)。这种新型SPE的所有前体(LiDFOB,TXE和SN)在室温下都是完全固态且不挥发的,其中LiDFOB同时充当锂盐和引发剂,以避免引入杂质。应当指出的是,这种SPE具有1.14×10 -4 S cm -1的相当大的离子电导率。以及足够宽的4.5 V电化学窗口,这对于支撑高能锂电池具有重要意义。此外,这种专门设计的原位聚合功能强大,可以在LiCoO 2阴极和Li金属阳极上同时建立具有动力学优势的基于聚合物的保护层,从而保证了4.3 V LiCoO 2 /的出色循环稳定性(200次循环后容量保持率达88%)。锂金属电池在室温下。更有趣的是,软包装的LiCoO 2 / SPE / Li金属电池在用锤子弯曲,切割和敲打的苛刻条件下仍能点亮蓝色发光二极管(LED),显示出出色的安全特性。

LiDFOB Initiated In Situ Polymerization of Novel Eutectic Solution Enables Room‐Temperature Solid Lithium Metal Batteries. Advanced Science ( IF 15.840 ) Pub Date : 2020-11-03 , DOI: 10.1002/advs.202003370. Han Wu; Ben Tang; Xiaofan Du; Jianjun Zhang; Xinrun Yu; Yantao Wang; Jun Ma; Qian Zhou; Jingwen Zhao; Shanmu Dong; Gaojie Xu; Jinning Zhang; Hai Xu; Guanglei Cui; Liquan Chen
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202003370


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