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      北理工在金屬鋰電極界面調控取得最新研究成果


      近日,北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授課題組在認識金屬鋰電極界面生成規律方面取得了重要進展。該研究成果以《Identifying the Critical Anion?Cation Coordination to Regulate Electric Double Layer for Efficient Lithium Metal Anode Interface》為題在線發表在化學類頂級國際期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》(《德國應用化學》,影響因子12.959)。本文的通訊作者為北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授,第一作者為北京理工大學材料學院/前沿交叉院博士研究生許睿。

      電極/電解液界面的生成與演化行為從本質上決定了電化學儲能器件的效率與壽命。金屬鋰負極的引入對于實現高比能電池具有至關重要的意義,但由于其本征高反應活性所帶來的體系復雜性,領域內目前對金屬鋰界面生成及調控規律的認知仍相當匱乏。

      傳統地,人們普遍認為電解液成分中熱力學穩定性最低的成分必然決定了金屬鋰表面固態電解質界面相(SEI)的生成,但并未對此標準的適用性進行更微觀尺度地理解和探索。

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      圖1. 模型電解液體系實現不同的硝酸根陰離子締合方式

      北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授團隊在最新的研究工作中對控制金屬鋰表面SEI生成的因素進行了雙電層尺度的解析。在此工作中,作者以含有硝酸鋰(LiNO3)的模型電解液作為研究對象,對比了不同NO3?陰離子締合方式下的SEI生成行為和金屬鋰保護效果(圖1)。

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      圖2. 不同極性的溶劑體系下,金屬鋰電極表面的雙電層結構,其控制了后續的SEI生長行為。

      系統的研究結果證明,陰-陽離子間的直接締合可中和陰離子自身的負電特性,使得陰離子可以接近同樣荷負電的金屬鋰電極表面,從而參與SEI的構建。在強極性溶劑如DMSO體系下,陰-陽離子間的相互作用被嚴重削弱,導致陰離子無法進入金屬鋰雙電層內分解構建SEI(圖2)。

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      圖3. 引入多價陽離子(以Cu2+為例)同時促進陰陽離子締合與調控金屬鋰雙電層內的陽離子聚集行為,從而實現更高的電池循環效率。

      此工作進一步指出,引入以Cu2+為例的多價陽離子可通過強陰-陽離子締合的方式促進陰離子在金屬鋰雙電層內的富集,以實現更加穩定的陰離子誘導型SEI,提升電池的庫倫效率與循環壽命(圖3)。

      此工作為理解金屬鋰界面構筑規律提供了更為深入的底層認識,為設計穩定高效的金屬鋰負極提供了重要的理論支撐。


      附作者簡介:

      黃佳琦,北京理工大學前沿交叉科學研究院教授,博士生導師,九三學社社員。主要開展高比能電池能源化學研究。在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Sci. Bull.等期刊發表研究工作100余篇,h因子為77,其中50余篇為ESI高被引論文。入選首屆中國科協青年人才托舉計劃,獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎,中國顆粒學會青年顆粒學獎,國家萬人計劃青年拔尖人才,2018-2020年科睿唯安高被引科學家等。

      論文詳情:

      Identifying the Critical Anion?Cation Coordination to Regulate Electric Double Layer for Efficient Lithium Metal Anode Interface

      Rui Xu, Xin Shen, Xia-Xia Ma, Chong Yan, Xue-Qiang Zhang, Xiang Chen, Jun-Fan Ding, Jia-Qi Huang*

      Angewandte Chemie International Edition

      https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202013271


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