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梁正团队AM、ACS Nano：具备长效缓释、智能响应、可回收功能的悬浮胶体电解质用于高压、快充电池
发布时间：2024年09月18日
图1：悬浮胶体电解质的设计、制备与物理化学性质。
除随着电动汽车的发展，目前使用石墨阳极的4.2 V锂离子电池（<300 Wh kg−1）能量密度低，导致的续航里程焦虑日益突出。采用NCM811阴极的高压锂金属电池具有超过400 Wh kg-1的理论能量密度，使其成为下一代电池的有前途的候选者。然而，高压NCM811锂金属电池的实际部署受到常规碳酸盐电解质中电极/电解质界面不稳定的阻碍，例如，自然形成的CEI在高电位下易氧化，导致CEI增生严重，分布不均匀。如果没有足够的CEI保护，由于一系列副反应，包括有害的结构扭曲、过渡金属浸出和在多个循环中连续的电解质分解，NCM811阴极会经历快速的结构和容量退化。此外，在常规碳酸盐电解质中形成的SEI是脆性的，无法抑制枝晶和死锂的生长，存在潜在的安全风险，并加剧了锂金属循环过程中活性锂的损失。
上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正课题组和溥渊未来技术学院谢宇俊课题组设计了一种胶体电解质以稳定电极/电解质界面。利用冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和 X 射线光电子能谱（XPS）进行研究，发现CEI主要由无定形P和LiF组成，而SEI则富含Li3P。密度泛函理论计算进一步证明，阴极上的初始Li3P/无定形P过渡层对锂具有很强的亲和力，有利于锂盐的物理吸收，并通过削弱X-F（X：P和B）键促进LiPF6和二氟（草酸）硼酸锂（LiDFOB）的分解。此外胶体电解质中 Li3P 的持续释放也促进了SEI的形成，使锂金属界面稳定，锂沉积形态均匀。使用基于Li3P的胶体电解质的NCM811||Li金属（厚度为30 m）电池中的副反应显著减少。在4.7 V的截止电压下，经过优化的NCM811||Li金属电池在循环120次后仍能保持其初始容量的82%，这突出表明基于Li3P的胶体电解质具有非凡的可行性和竞争力。
相关研究成果以“Colloid Electrolyte Containing Li3P Nanoparticles for Highly Stable 4.7 V Lithium Metal Batteries”为题发表于期刊ACS Nano上。
文章信息
Xiaoya He#, Wei Hao#, Zidan Shi, Yihong Tan*, Xinyang Yue*, Yujun Xie*, Xuzhou Yan, Zheng Liang*, Colloid Electrolyte Containing Li3P Nanoparticles for Highly Stable 4.7 V Lithium Metal Batteries. ACS Nano 18, 22560 (2024).
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c08349
第一作者：贺筱雅、郝伟
通讯作者：梁正、谢宇俊、岳昕阳、谭一泓
通讯单位：上海交通大学变革性分子前沿科学中心、上海交通大学未来技术学院、上海交通大学密西根学院、上海交通大学电气工程系、上海交通大学张江高等研究院
图2：悬浮胶体电解质对于溶剂化结构贺SEI的影响。
同样是基于长效缓释、智能响应、可回收功能的悬浮胶体电解质设计，在先前的一项研究工作中，上海交通大学梁正、中国科学技术大学姚宏斌、浙江工业大学陶新永、安徽盟维新能源周飞在SEI的构建过程中独辟蹊径，揭示了通过对于SEI成分和结构设计可以实现锂金属电池的快速充电。研究通过在SEI中原位引入具有快速离子扩散特性的无机晶界（LiF/Li3P），即氟磷化SEI。实验方法简单（将含磷官能团修饰的高度分散多孔LiF-P纳米颗粒分散与电解液中），具有良好的应用前景。同时，研究人员也证明了在这些快速离子扩散晶界之间能够形成具有电化学活性的未成核锂（GBs-Li），从而确保了Li||NCM811电池在5C（11 mA cm-2）快充下超过1000次的循环稳定性。此外，研究人员还通过高能量密度（400 Wh kg-1）的锂金属软包电池来验证添加剂带来的稳定性和安全性双重提升。
相关研究成果以“Inorganic Composition Modulation of Solid Electrolyte Interphase for Fast Charging Lithium Metal Batteries”为题发表在Advanced Materials上。
文章信息
Yihong Tan#, Zhu Liu#, Jianhui Zheng#, Zhijin Ju#, Xiaoya He, Wei Hao, Yechao Wu, Wenshan Xu, Haojie Zhang, Guoqing Li, Lisha Zhou, Fei Zhou*, Xinyong Tao*, Hongbin Yao*, Zheng Liang*, Inorganic Composition Modulation of Solid Electrolyte Interphase for Fast Charging Lithium Metal Batteries. Adv. Mater. 36, 2404815 (2024).
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202404815
第一作者：谭一泓、刘柱、郑建辉、居治金
通讯作者：梁正、姚宏斌、陶新永、周飞
通讯单位：上海交通大学变革性分子前沿科学中心、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学技术大学应用化学系、浙江工业大学材料科学与工程学院、安徽盟维新能源
