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Nat. Commun.：中大雷丹妮、王成新團隊在固態(tài)鋰金屬電池領(lǐng)域取得重要突破
來源：中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2022-12-22
導(dǎo)讀：近期，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院雷丹妮副教授、王成新教授團隊通過加入乙醇鋁納米線添加劑調(diào)控商業(yè)化有機電解液的組分，在電極表面原位生成富含氧化鋁的穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)膜，從而提高電極/電解液界面相容性及穩(wěn)定性，獲得了高能量、高穩(wěn)定鋰金屬電池（Nature Communications, 2022, 13, 1297）。
高能量鋰金屬電池因鋰枝晶生長以及不可控副反應(yīng)容易發(fā)生短路甚至爆炸起火。通過電解質(zhì)工程誘導(dǎo)鋰金屬均勻沉積以及抑制副反應(yīng)，是提高鋰金屬電池安全性和循環(huán)穩(wěn)定性的有效策略。近期，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院雷丹妮副教授、王成新教授團隊通過加入乙醇鋁納米線添加劑調(diào)控商業(yè)化有機電解液的組分，在電極表面原位生成富含氧化鋁的穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)膜，從而提高電極/電解液界面相容性及穩(wěn)定性，獲得了高能量、高穩(wěn)定鋰金屬電池（Nature Communications, 2022, 13, 1297）。該團隊進一步將乙醇鋁納米線轉(zhuǎn)變成鋁酸鎂納米線，設(shè)計制備了剛?cè)岵膹?fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)，有效抑制了鋰枝晶生長，從根本上提高了鋰金屬電池的安全性。該創(chuàng)新成果于2022年12月11日發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Science（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202205108）。在傳統(tǒng)有機-無機復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)中，無機填料與聚合物在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面的差異性導(dǎo)致兩者的界面相容性差，增加了電池內(nèi)部界面阻抗，難以構(gòu)建均勻、快速的鋰離子傳輸通道，無法實現(xiàn)鋰離子在鋰金屬負極表面均勻沉積。更重要的是，無機填料與聚合物之間的孔隙中的電解液會與無機填料表面的懸掛基團發(fā)生副反應(yīng)而快速消耗，使其匹配高負載正極變得極為困難。因此，改善有機聚合物與無機陶瓷之間的界面相容性對于實現(xiàn)高性能固態(tài)鋰金屬電池具有重要意義。目前已報道的提高有機-無機復(fù)合材料界面相容性的主要方法是通過化學(xué)鍵形成有效連接，其只適用于特定的化合物，無法得到廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)一種普適、簡單的方法提高界面相容性，對于減少鋰離子界面?zhèn)鲗?dǎo)阻抗，實現(xiàn)高性能固態(tài)鋰金屬電池是一項具有重要科學(xué)意義且充滿挑戰(zhàn)的工作。鑒于此，該團隊制備了三維發(fā)光納米線膜作為內(nèi)光源，降低納米線表面的光引發(fā)劑裂解生成活性自由基的能壘，進而使PEO單體自由基在納米線上優(yōu)先成核并鏈增長，促進PEO緊密包覆在納米線表面，提高了有機-無機相間相容性，從而將PEO基質(zhì)均勻網(wǎng)格化（圖1）。鋰離子在網(wǎng)格化的PEO中定向傳導(dǎo)，并在鋰金屬負極表面限域成核進而均勻沉積，獲得了無枝晶準固態(tài)鋰金屬電池。該復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)膜在25 ℃下展現(xiàn)出高的離子電導(dǎo)率（5.66×10?4 S cm?1）和高電壓穩(wěn)定性（5.2 V）。通過匹配高負載LiFePO4正極（12 mg cm?2）和鋰金屬負極的全電池在室溫下循環(huán)120次的容量保持率為88%，優(yōu)于目前所報道的準固態(tài)鋰金屬電池（圖2）。該工作極大地推動了固態(tài)鋰金屬電池的商業(yè)化進程。
圖1復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)膜的制備示意圖及結(jié)構(gòu)表征
圖2不同電解質(zhì)匹配LiFePO4正極的全電池長循環(huán)性能和倍率性能該論文的獨立第一作者是中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生葉思陽，共同通訊作者是王成新教授及其團隊雷丹妮副教授。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文唯一完成單位。該研究工作受到國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、中山大學(xué)高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費以及中山大學(xué)測試中心的大力支持。參考資料：https://mse.sysu.edu.cn/article/2404
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