北理在金屬鋰電池人工界面研究領域發表綜述文章
發布日期：2019-09-05 供稿：前沿交叉院
編輯：石殊倫 審核：王博 閱讀次數：
近日，北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授課題組聯合清華大學張強教授在Cell Press細胞出版社旗下材料學旗艦期刊Matter上發表綜述文章，系統總結了鋰金屬與液（固）電解質之間界面設計的最新研究成果，并且對領域發展提出了展望。該工作第一單位為北京理工大學，第一作者為材料學院/前沿交叉院博士研究生許睿。原文鏈接為：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30041-4
鋰金屬電池（LMBs）具有顯著優于傳統鋰離子電池的高能量密度，但由于鋰負極超高化學反應活性，幾乎會與所有的非水性液體電解質形成固態電解質界面（SEI），這種極度不穩定的SEI嚴重限制了LMB的應用。科研人員通常采取電解質添加劑、鋰鹽和溶劑優化、高濃度電解質和納米結構電解質等提高SEI的穩定性。但是在長期服役過程中，SEI仍然存在許多不足：化學異質性，機械脆性，不同工況條件下的成分與結構差異等。合理設計穩定的界面，為實現安全穩定的金屬鋰負極應用提供重要保障。
圖1 改性薄膜提高鋰電極與電解質界面之間穩定性的相關方法
該工作從改性電解質的方法與其在鋰金屬電池中的應用出發，介紹了液態電解質以及固態電解質改性方法的研究進展，并提出了鋰金屬界面目前所面臨的挑戰。其中，圖1表示的是通過改性薄膜來提高鋰-電解質界面穩定性的策略示意圖，包括一些主要的方法（圖1 A）與鋰金屬表面理想改性薄膜所需要具有的一些關鍵性質（圖1 B）。
面向液態電解質的界面改性方法：由于鋰金屬自身特點，一個理想的改性SEI（或者是保護層）應該具有以下三點特性：1）化學與電化學穩定性；2）力學柔韌性與強度；3）均勻且快速的離子通道。基于這些考慮，通過使用功能化的有機、無機材料或者其復合材料可直接改性鋰/液態電解質界面。其中，有機材料機械模量低，無機材料脆性較強，均不利于界面的穩定性，復合材料兼具兩者的優點，成為一種可行性強的策略。
面向固態電解質的界面改性方法：固態電解質（SSE）主要分為聚合物電解質和無機電解質，其中，聚合物電解質離子導電率較低，無機電解質與鋰金屬負極接觸不穩定。因此，固態電解質與鋰金屬負極之間的界面工程對于實現高性能穩定的固態電池至關重要。設計固態電解質與鋰金屬之間界面的要素與液態電解質類似，均需要結合：1）化學與電化學穩定性；2）力學性能；3）均勻且快速的離子通道。另外，根據固態電解質的特點，還需要重點考慮金屬鋰與電解質之間的界面接觸與動力學性質。通常，SSE與鋰金屬負極之間的界面改性主要涉及：界面合金化、引入聚合物與凝膠緩沖層以及少量的液體電解質作為界面潤濕劑。
圖2 鋰金屬負極與液態（固態）電解質之間界面工程的發展史
鋰金屬負極與電解質之間的界面是電池工作過程中鋰離子輸運的必要通道，界面優化對于離子的高效及均勻輸運，從而實現LMB的長循環穩定性具有重要意義。經過多年的探究，研究人員在鋰金屬與固體（液體）電解質的界面工程方面取得了巨大的成就，總結如圖2。
然而，在理解和構建高效鋰金屬界面的研究課題中，仍然存在許多挑戰，比如：系統地建立表面性質與鋰金屬穩定性之間的 “構-效”關系；準確理解改性界面與鋰原子和/或溶劑化鋰離子之間的相互作用原理；改性界面在成分和結構上的不斷優化，推薦在降低鋰含量的紐扣電池甚至是軟包電池中進行策略的有效性評測；原位及精細表征方法的引入，以更深入掌握高活潑性界面的相關信息；跨學科合作，理解鋰金屬界面的其他現象，如產熱及應力問題。
附作者簡介：
黃佳琦，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師，九三學社社員。主要開展能源界面化學研究。在Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Adv Mater, Adv Funct Mater, Sci Bull等期刊發表研究工作100余篇，h因子為62，30余篇為ESI高被引論文。入選2015年首屆中國科協青年人才托舉計劃，獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎，中國顆粒學會青年顆粒學獎，2018年科睿唯安高被引科學家，2018年國家萬人計劃青年拔尖人才等。
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