北理工黃佳琦課題組在《ACS Energy Letters》上發(fā)表固態(tài)金屬鋰負(fù)極枝晶生長機(jī)理綜述論文
發(fā)布日期：2020-03-09 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：朱倩云 審核：施瑞 閱讀次數(shù)：近日，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦課題組詳細(xì)總結(jié)了固態(tài)電解質(zhì)中金屬鋰枝晶的生長機(jī)理，該研究探討了聚合物和無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中的枝晶生長模式，分析了現(xiàn)有的枝晶抑制策略存在的問題，并展望了固態(tài)電解質(zhì)中抑制鋰枝晶的下一步研究重點(diǎn)。該研究成果以《Controlling the Dendrite Growth in Solid-State Electrolytes》為題在線發(fā)表在能源材料類頂級(jí)國際期刊《ACS Energy letters》（《美國化學(xué)會(huì)－能源快報(bào)》，影響因子16.331）上。本文的通訊作者為黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉科學(xué)研究院博士后劉鶴，合作單位包括清華大學(xué)、深圳大學(xué)、德累斯頓工業(yè)大學(xué)、弗勞恩霍夫研究協(xié)會(huì)材料與束技術(shù)研究所。
圖1（a）無缺陷的理想固態(tài)電解質(zhì)具備抑制枝晶生長的潛力；（b）實(shí)際固態(tài)電解質(zhì)由于自身缺陷和較差的界面行為，存在嚴(yán)重的金屬鋰枝晶生長行為。
金屬鋰負(fù)極作為電池領(lǐng)域的“圣杯”電極，有望顯著提高電池的能量密度，但嚴(yán)重的枝晶生長問題限制了其實(shí)際應(yīng)用。一般認(rèn)為，固態(tài)電解質(zhì)的高機(jī)械模量，能夠有效的抑制金屬鋰負(fù)極的枝晶生長（圖1a）。而且，固態(tài)電解質(zhì)具有不燃、不易泄露、寬電壓窗口等優(yōu)異特性，被認(rèn)為是替代液態(tài)電解質(zhì)的理想材料。但是，隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際工作的金屬鋰電池中，由于固態(tài)電解質(zhì)本身的缺陷和不均勻固固界面的存在，使得固態(tài)金屬鋰電池中仍然存在嚴(yán)重的枝晶生長問題。固態(tài)電解質(zhì)中枝晶導(dǎo)致的短路問題可能比液態(tài)電解質(zhì)更加嚴(yán)重（圖1b）。
該研究團(tuán)隊(duì)首先分析了聚合物材料中的枝晶生長行為。聚合物材料的柔性好，易于大面積制備，已經(jīng)在商業(yè)上有成功的案例。但是由于其離子導(dǎo)率和鋰離子遷移數(shù)都較低，使得聚合物材料需要在高溫下操作，降低了其機(jī)械模量。聚合物電解質(zhì)中的枝晶生長問題較為顯著，通過摻雜和復(fù)合等策略可以在一定程度上調(diào)控鋰離子的沉積行為，緩解枝晶的出現(xiàn)。
相比于聚合物電解質(zhì)，無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械模量高、離子導(dǎo)率和鋰離子遷移數(shù)都較高，被認(rèn)為是理想的抑制枝晶生長材料。但是，無機(jī)電解質(zhì)中的晶界、孔洞、一定的電子導(dǎo)電性、與金屬鋰差的固固界面接觸等原因，使得無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)仍然存在嚴(yán)重的枝晶生長問題。
該工作通過詳細(xì)分析固態(tài)電解質(zhì)中金屬鋰枝晶的生長行為，為固態(tài)金屬鋰電池中的鋰離子輸運(yùn)和沉積行為調(diào)控提供了新的理解，為實(shí)現(xiàn)安全且高效的固態(tài)金屬鋰電池提供了新思路和新方法。
論文詳情：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b02660。
附作者簡介：
黃佳琦教授，九三學(xué)社社員，2016年9月入職北理工前沿交叉科學(xué)研究院并組建課題組開展研究工作，主要開展能源存儲(chǔ)材料研究。以第一作者/通訊作者身份，在Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Angewandte Chemie International Edition，Energy Storage Materials，Science Bulletin等期刊發(fā)表一系列研究工作。其發(fā)表論文的總引用10000余次，h因子為62，其中40余篇為ESI高被引論文。
黃佳琦入選2015年首屆中國科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃，獲評(píng)中國化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，中國顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)，2018-2019年科睿唯安高被引科學(xué)家，2019年國家萬人計(jì)劃青年拔尖人才。
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