近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院焦淑紅教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合北京大學(xué)徐東升教授、中國科學(xué)院物理研究所王雪鋒研究員和蘇州大學(xué)程濤教授團(tuán)隊(duì)，在高能量鋰金屬電池領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。研究人員通過調(diào)控電解液在介觀尺度下的鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種緊密離子對(duì)聚集體(CIPA)電解液，從而實(shí)現(xiàn)了500Wh?kg?1鋰金屬電池的穩(wěn)定運(yùn)行。相關(guān)成果以“Towards long-life 500?Wh?kg?1lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes”為題，于7月8日發(fā)表在Nature Energy雜志上。
鋰金屬電池具有極高的理論能量密度(> 500Wh?kg?1)，約為目前商業(yè)化鋰離子電池的2倍，因此被視為下一代高比能電池的主要技術(shù)路線。鋰金屬電池目前存在的主要挑戰(zhàn)是循環(huán)壽命較短，限制了其實(shí)際應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多種電解液體系，如高濃鹽電解液、局域高濃鹽電解液、液化氣電解液和弱溶劑化電解液等，通過優(yōu)化電解液的微觀結(jié)構(gòu)尤其是對(duì)鋰離子的第一溶劑化殼層進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，鋰金屬電池的性能取得了顯著提升。但是，這些電解液策略在平衡正負(fù)極穩(wěn)定性方面仍然存在很多問題，使得鋰金屬軟包電池很難同時(shí)取得高能量密度和長循環(huán)壽命。
針對(duì)以上問題，作者提出了一種超越第一溶劑化殼層尺度的電解液設(shè)計(jì)策略，使陰陽離子對(duì)通過緊密堆積的方式形成三維聚集體(AGG)結(jié)構(gòu)，在保持鋰金屬軟包電池高能量密度的同時(shí)，大幅提升了其循環(huán)壽命(圖1)。同步輻射光源的X射線散射技術(shù)和理論計(jì)算模擬的結(jié)果表明，在緊密離子對(duì)聚集體(CIPA)電解液中，多個(gè)離子對(duì)之間通過配位作用相互連接，形成鋰離子相互距離為6?左右、最大長度為3~4納米的大尺寸緊密聚集體結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)電解液中聚集體的尺寸普遍較小，長度為1納米左右，且鋰離子之間的相互距離為8?左右。得益于緊密離子對(duì)聚集體(CIPA)電解液的緊密離子對(duì)聚集體(CIPA)結(jié)構(gòu)，該電解液在鋰金屬負(fù)極表面形成了以無機(jī)物為主、平均厚度約為6.2納米左右的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，從而顯著提升了鋰金屬負(fù)極的界面穩(wěn)定性。同時(shí)，該電解液能大幅抑制氧化物正極材料的不可逆界面變化，減少了電解液在正極界面的副反應(yīng)。利用該電解液，采用高鎳正極材料(LiNi0.905Co0.06Mn0.035O2)設(shè)計(jì)了能量密度為505.9 Wh kg?1的鋰金屬軟包電池，并實(shí)現(xiàn)了130次(約2750小時(shí))穩(wěn)定循環(huán)，顯著優(yōu)于目前已經(jīng)報(bào)道的文獻(xiàn)結(jié)果。
圖1：CIPA電解液的設(shè)計(jì)理念和鋰金屬軟包電池性能
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)揭育林(博士后)、北京大學(xué)王世洋(博士后)、中國科學(xué)院物理研究所翁素婷(博士后)和蘇州大學(xué)劉越(博士后)為論文共同第一作者；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)焦淑紅教授、北京大學(xué)徐東升教授、中國科學(xué)院物理研究所王雪鋒研究員和蘇州大學(xué)程濤教授為通訊作者，合作者包括化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院曹瑞國教授和任曉迪教授。本工作得到國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院先導(dǎo)計(jì)劃、基金委面上項(xiàng)目以及中國科大-國軒高科創(chuàng)新電池聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。
本工作特別致謝北京工業(yè)大學(xué)閆鵬飛教授、張正峰博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)同步輻射國家實(shí)驗(yàn)室羅震林教授，上海同步輻射光源邊風(fēng)剛教授、林鶴研究員、楊科研究員、繆夏然博士和曹賽超博士等在材料表征和分析等方面的大力支持與幫助。本工作中的部分材料表征實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行，部分計(jì)算模擬工作在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心完成。(化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部)
