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学院徐朝和教授团队在高性能金属锂电池领域取得系列研究进展

日期:2022-03-17 作者: 点击:[]

       金属锂被认为是下一代高能量密度电池器件的理想负极材料,国家十四五规划更是提出基于金属锂负极研发能量密度达600Wh/kg的颠覆性电池技术。但要实现该发展战略目标,目前的锂负极还面临诸多挑战,特别是锂枝晶和“死锂”形成所导致的性能衰减、短路甚至热失控等问题。对电池体系而言,高比能锂硫电池是未来高能化学电源的重要候选体系之一。但锂硫电池除存在前述锂负极侧的共性挑战外,硫正极侧还面临反应动力学缓慢、多硫化物穿梭和活性硫损失等多重复杂问题。因此,如何用简便且实用化的方案一劳永逸的解决这些挑战,成为以金属锂为负极研发高性能金属锂电池的前沿课题和关键核心技术。


       隔膜是连接二次电池正负极之间的桥梁,是承载电池表/界面所产生的各种复杂问题的最关键电池材料之一。因此,通过功能化隔膜及其组分调控被寄希望于能够有效的解决电池反应中所面临的诸多问题。近日,重庆大学航空航天学院徐朝和教授团队和材料学院王荣华副教授针对金属锂电池存在的问题,设计并制备了一种功能化的聚合物基复合隔膜。该复合隔膜能够有效的调节锂离子沉积/溶出行为、催化多硫化物的转化反应,从而实现了金属锂负极以及锂硫电池的稳定循环。该团队所开发的复合隔膜具有超薄、轻质、多功能性和耐高温特性,可望在金属锂电池得到应用。该系列研究成果近期分别发表在Nano Energy(Nano Energy, 2022, 95, 106982)和 Advanced Science(Advanced Science, 2022, 2102215)上,并申请了多项国家发明专利。论文的第一作者是航空航天学院博士研究生赵倩男同学。
      该团队采用简单的涂覆工艺将氧化石墨烯纳米片包裹的硫化钒和单宁酸功能涂层均匀的负载到商用聚烯烃隔膜上。该功能涂层单面厚度仅为1.5 μm左右,涂层载量仅为0.15 mg cm-2左右(远低于商用勃姆石涂层的负载量),具有良好的力学性能,且能够实现大面积制备。该复合隔膜能够保证金属锂负极实现了6000小时稳定循环以及金属锂负极表面致密平整的沉积状态。理论模拟结果表明:复合隔膜能够保证锂负极表/界面处离子和电场均匀分布,实现锂离子的均匀输运和沉积,进而削弱缺陷处的沉积放大效应,避免锂枝晶和死锂的产生。进一步采用XPS深剖技术解析了SEI的化学组成,证实了功能隔膜对金属锂负极表面的调控作用。DFT计算证明了功能涂层组分对硫正极侧多硫化物的协同催化作用。最后,基于该复合隔膜组装的金属锂电池实现了稳定循环,并展示了软包锂电池驱动小型电动机器人的应用。与此同时,该功能涂层还可赋予复合隔膜良好的耐热性,可显著提升金属锂电池的安全性,具有广泛的应用前景。
      上述工作是团队近期万博体育app下载调控金属沉积/剥离行为以及电极/电解质界面调控研究取得的最新进展之一。该团队近一年来,还发展了导电聚合物纳米纤维膜作为锂沉积骨架,调控实现锂的无枝晶沉积,并探究了其沉积机理(Journal of Energy Chemistry, 2021, 58, 285-291);针对固态界面问题,发展了普适性的氧化物界面改性涂层材料,实现了固态界面锂沉积/剥离行为的调控,大幅降低了固态界面电阻和循环稳定性(Science Bulletin, 2021, 66, 1746-1753);发展出了超薄水滑石层状双氢氧化物界面改性层,改善了锂与电解质的界面亲和性(Chemical Communications, 2021, 57, 10214-10217);针对聚合物基固体电解质,采用富含羟基的羟基磷灰石纳米线薄膜或氧化石墨烯作为聚环氧乙烯(PEO)固体电解质的功能填料(ACS Applied Materials and Interfaces, 2020, 12, 54637-54643; ACS Applied Energy Materials, 2021, 4, 3660-3669.),大幅提升了聚合物固体电解质的电化学性能和耐热性,最终研制出了耐高温金属锂电池,为发展高温特种锂电池提供了一定的借鉴。



图1.复合隔膜对锂负极保护机制示意图与相关性能表征



图2.应用复合隔膜的金属锂电池电化学性能

通讯作者及团队简介
       徐朝和,工学博士、教授、博士生导师。2015年3月至今任职于重庆大学航空航天学院和国家镁合金材料工程技术研究中心。长期从事金属储能电池材料、固体电解质及界面电化学、固态电池技术等研究,致力于使用纳米技术解决固态储能电池存在的关键科学和技术问题。学术主页:


(作者、图片:徐朝和团队    编辑:尹瑞森)



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