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湘潭大學(xué)馬增勝教授團(tuán)隊(duì)/華南理工大學(xué)劉軍教授團(tuán)隊(duì) Angew：“電荷倉(cāng)庫(kù)”誘導(dǎo)鋰離子電池中富氟化鋰的SEI層的形成
2024-03-05  來(lái)源：高分子科技


  隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)清潔能源需求的不斷增加，鋰離子電池的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。與目前商業(yè)化的鋰離子電池相比，搭配固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰金屬電池具有更好的安全性和更高的能量密度，被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)。然而鋰金屬負(fù)極與電解質(zhì)之間的副反應(yīng)以及鋰枝晶的生長(zhǎng)，一直是行業(yè)面臨的關(guān)鍵難題。研究表明構(gòu)建穩(wěn)定的SEI（鋰金屬與電解質(zhì)之間的界面層）被認(rèn)為是解決上述難題的關(guān)鍵。其中氟化鋰（LiF）因其高界面能、高化學(xué)穩(wěn)定性和低Li+擴(kuò)散勢(shì)壘的特點(diǎn)，被認(rèn)為是構(gòu)建穩(wěn)定SEI的關(guān)鍵組分。


圖1為電解質(zhì)制備工藝和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制示意圖


  近日，湘潭大學(xué)的張彪副教授、馬增勝教授和華南理工大學(xué)的劉軍教授合作，合成了一種聚卟啉有機(jī)框架（POF）來(lái)構(gòu)建 "電荷倉(cāng)庫(kù)"，并制備了一系列PEO基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。結(jié)果表明，與單卟啉相比，POF 具有更充分的電荷來(lái)源，可為鋰鹽陰離子(TFSI-) 提供更加充分的電荷轉(zhuǎn)移數(shù)量(提升至 2.7 倍)，進(jìn)而構(gòu)建了富LiF的SEI層，顯著提高了PEO基固態(tài)鋰金屬電池的性能。該工作以“The Versatile Establishment of Charge Storage in Polymer Solid Electrolyte with Enhanced Charge Transfer for LiF-Rich SEI Generation in Lithium Metal Batteries”為題發(fā)表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202320149）。文章第一作者是湘潭大學(xué)碩士研究生梁偉忠。 


圖2為 LiTFSI分解機(jī)理探究


  通過(guò)多種測(cè)試和DFT計(jì)算，發(fā)現(xiàn)POF顯著影響TFSI-的分解動(dòng)力學(xué)過(guò)程。當(dāng) LiTFSI 與 POF 相互作用時(shí)，未反應(yīng)卟啉區(qū)的電荷將轉(zhuǎn)移到反應(yīng)卟啉區(qū)，從而有效補(bǔ)充反應(yīng)區(qū)的電荷轉(zhuǎn)移量，使TFSI-充分獲得電荷，加快TFSI-的分解動(dòng)力學(xué)過(guò)程，促進(jìn)其分解為LiF，從而構(gòu)建富LiF的SEI層。 


圖3為電解質(zhì)的電池循環(huán)性能


  用PEO-POF電解質(zhì)組裝的電池，無(wú)論搭配LiFePO4或NCM811正極，亦或是厚鋰和薄鋰，都具有高放電容量，高庫(kù)侖效率、穩(wěn)定的電壓平臺(tái)、良好的容量保持性和出色的循環(huán)性能。同時(shí)，將PEO更換為PVDF-HFP或PEG基的聚合物電解質(zhì)后，組裝的電池庫(kù)倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性依然有明顯的提升。該工作為聚合物基固態(tài)電解質(zhì)-鋰金屬的界面調(diào)控提供新的認(rèn)識(shí)。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期有關(guān)聚合物-鋰金屬SEI界面調(diào)控研究的最新進(jìn)展之一。團(tuán)隊(duì)近兩年基于SEI的界面調(diào)控工作，制備了一系列多孔有機(jī)材料，探究了空間位阻(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202308738)、氫鍵和離子鍵(J. Mater. Sci. Technol., 2023, 136, 140-148；Nano Energy, 2023, 108, 108221)、取代基位置和種類(J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 5636-5644；J. Mater. Chem. A , 2021, 9, 24661-24669)在催化SEI中氟化鋰生成過(guò)程中的作用，探索了SEI層中氟化鋰的最佳含量范圍。團(tuán)隊(duì)利用實(shí)驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的方法，旨在總結(jié)SEI層中氟化鋰的調(diào)控規(guī)律。


  湘潭大學(xué)馬增勝教授團(tuán)隊(duì)主要從事薄膜動(dòng)力電源關(guān)鍵材料，包括正極材料、負(fù)極材料、電池外殼等材料的制備及力、電、化、熱等多場(chǎng)耦合問(wèn)題的研究。目前已在Int. J. Plast.、J. Power Sources、Mech. Mater.等國(guó)際期刊上發(fā)表多篇SCI源刊學(xué)術(shù)論文，擔(dān)任Int. J. Plast., Energy Environ. Sci., Mech. Mater.等國(guó)際期刊評(píng)審。獲教育部霍英東基金會(huì)青年教師獎(jiǎng)、湖南省杰青、湖南省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)等。目前已經(jīng)發(fā)表探索基于氫鍵-靜電力協(xié)同作用的雙功能MOF修飾PEO基聚合物固態(tài)電解質(zhì)（Nano Energy, 2023. 108221）；調(diào)節(jié)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中多孔有機(jī)聚合物的空間位阻誘導(dǎo)鋰離子電池中富氟化鋰的SEI層的形成（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202308738.）等相關(guān)論文。


  華南理工大學(xué)劉軍教授團(tuán)隊(duì)從事鋰/鈉離子電池、高能量密度固態(tài)電池等儲(chǔ)能材料與器件研究，目前已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy & Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇（ESI高被引論文和熱點(diǎn)論文20余篇），論文總被引用13000余次，H指數(shù)62。近年來(lái)承擔(dān)包括國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)課題、自然科學(xué)基金聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目，廣東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等科研項(xiàng)目10 余項(xiàng)；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)，目前已授權(quán)15項(xiàng)。相關(guān)研究成果獲得了2023年中國(guó)化工學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)基礎(chǔ)研究成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，2022年廣東省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，2020年湖南省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，2012年全國(guó)百篇優(yōu)博提名獎(jiǎng)；入選了科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”、國(guó)家海外高層次青年人才、廣東省“珠江人才計(jì)劃”引進(jìn)高層次人才、江西省“雙千計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等稱號(hào)。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202320149

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（責(zé)任編輯：xu）
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