中科院物理所吳凡團隊- 液態金屬電極在電化學儲能中的應用

來源：原創 | 2023年06月26日

【背景介紹】

鋰金屬由于其最高的能量密度而被認為是最理想的鋰電池負極材料，但傳統的鋰金屬-液體電解液電池系統存在著低庫侖效率、SEI重復破裂生成和鋰枝晶生長等問題。由堿金屬、芳香烴和醚類溶劑組成的復合液態金屬溶液電極可抑制鋰枝晶形核生長，從而解決以上問題。這些復合堿金屬溶液比高溫熔融的堿金屬或堿金屬合金更容易控制、更穩定、更安全。基于此，中科院物理所吳凡教授團隊詳細總結梳理了堿金屬、芳香烴和醚類溶劑的復合溶液電極研發現狀，包括其發展歷史、作用原理和特點等。此外，還討論并提出了限制其實際應用的障礙和未來研究方向，以促進這一領域的良性發展。相關成果發表在Precision Chemistry上。中科院物理所彭健博士為文章的第一作者， 吳凡為通訊作者。

【文章亮點】

圖1. 液態金屬溶液的研究歷史

圖2. 液態金屬溶液的電池結構

圖3. 液態金屬溶液的制備和潤濕性

圖4. 液態金屬溶液中分子間的相互作用

圖5. 液態金屬溶液的電導率

圖6. 液態金屬溶液的電勢

圖7. 液態金屬溶液的安全性

圖8. 液態金屬-空氣電池

圖9. 液態金屬半固態電池

圖10. 其他液態金屬電池

【總結/展望】

本文總結了液態堿金屬負極的發展歷程，全面分析了液態堿金屬的理化特性，總結了近年來含液態堿金屬負極的電池的相關工作，并按照不同電池結構的分類對含液態堿金屬負極的電池進行了介紹。

熔融態金屬鋰和液態鈉鉀合金有很多缺點，包括需要高溫來維持液態，金屬鋰的熔點高（200℃），界面潤濕性差，安全性差等。因此，液態堿金屬溶液體系具有明顯的優勢。然而，液態堿金屬溶液的比容量較低（Li1.5BP3DME10的容量僅為29 mAh/g），這樣，單用液態堿金屬溶液作為負極材料，無法實現高能量密度電池。因此需要使用堿金屬負極作為金屬鋰的保護層材料。考慮到現有的液態堿金屬體系電池不能固定在金屬鋰的表面作為穩定的保護層，需要設計一種新的結構/配置，將液態堿金屬包裹在電池的中間，形成穩定的界面層。由于液態堿金屬溶液的揮發性，液態堿金屬也可以凝膠化形成凝膠膜層，并固定在堿金屬表面。這樣，由于聚合物基材的作用，液態堿金屬的揮發得到抑制，電池的長周期性能得到提高。同時，還應該開發與液態堿金屬和固體電解質兼容的具有較高離子傳導性的界面層，進一步提高該電池系統的倍率性能。因此，液態堿金屬的應用前景是設計和開發一種新型的堿金屬電池，可以實際應用液態堿金屬和液態堿金屬的凝膠層作為保護層。這將為大規模制備安全性高、能量密度高、循環壽命長的固態堿金屬電池奠定良好的基礎。

出版信息：

Precis. Chem. 2023

Publication Date: June 22, 2023

https://doi.org/10.1021/prechem. 3c00030

? 2023 The Authors. Co-published by University of Science and Technology of China and American Chemical Society

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/prechem. 3c00030

【吳凡課題組2022-2023論文】

https://www.x-mol.com/groups/wu_fan/publications 

       
1.Hard-Carbon-Stabilized Li-Si Anodes for high-performance All-Solid-State Li-ion Batteries. W. Yan, Z Mu, Z. Wang, Y. Huang, D. Wu, P. Lu, J. Lu, J. Xu, Y. Wu, T. Ma, M. Yang, X. Zhu, Y. Xia, S. Shi, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Nature Energy (IF=67.439) 2023, https://doi.org/10.1038/s41560-023-01279-8 

2.High-Areal-Capacity and Long-Cycle-Life All-Solid-State Battery Enabled By Freeze Drying Technology. T. Ma, Z. Wang, D. Wu, P. Lu, X. Zhu, M. Yang, J. Peng, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Energy & Environmental Science (IF=40) 2023, 16, 2142 - 2152.

3.High-Capacity, Long-Life Iron Fluoride All-Solid-State Lithium Battery with Sulfide Solid Electrolyte. J. Peng ,X. Wang, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Advanced Energy Materials (IF=29.698), 2023, 2300706.

4.Tuning discharge voltage by Schottky electron barrier in P2-Na2/3Mg0.205Ni0.1Fe0.05Mn0.645O2. Y. Wang, Z. Shadike, W. Fitzhugh, F. Wu, S. Lee, J. Lee, X. Chen, Y. Long, E. Hu, X. Li*. Energy Storage Materials, 2023, 55, 587-596

5.High-Safety, Wide-Temperature-Range, Low-External-Pressure and Dendrite-Free Lithium Battery with Sulfide Solid Electrolyte. J. Peng, D. Wu, P. Lu, Z. Wang, Y. Du, Y. Wu, Y. Wu, W. Yan, J. Wang, H. Li, L. Chen &F. Wu*. Energy Storage Materials (IF=20.831) 2023, 54: 430-439.

6.Anode Interfacial Issues in Solid-State Li Batteries: Mechanistic Understanding and Mitigating Strategies. J. Wang, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Energy & Environmental Materials (IF=15.122), 2023, 0, e12613

7.Fast Charge Storage Kinetics by Surface Engineering for Ni-Rich Layered Oxide Cathode. J. Wang, Z. Zhang, W. He, Z. Wang, S. Weng, Q. Li, X. Wang, S. Barg, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Journal of Materials Chemistry A (IF=14.511), 2023, 11, 10239 - 10253.

8.High-Capacity Sulfide All-Solid-State Lithium battery with Conversion-type Iron Fluoride Cathode. X. Wang, Z. Wang, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Journal of Materials Chemistry A (IF=14.511), 2023, in press.

9.Toward Better Batteries: Solid-State Battery Roadmap 2035+. D. Wu,F. Wu*. eTransportation, (IF=13.661), 2023,16,100224.

10.Long-life High-capacity Lithium Battery with Liquid Organic Cathode and Sulfide Solid Electrolyte. J. Peng, D. Wu, H. Li, L. Chen & F. Wu* Battery Energy, 2023, 20220059.

11.Application of liquid metal electrodes in electrochemical energy storage. J. Peng, H. Li, L. Chen & F. Wu*. Precision Chemistry, 2023, in press.

12.Solid state ionics - selected topics and new directions.F. Wu, L. Liu, S. Wang, J. Xu, P. Lu, W. Yan, J. Peng, D. Wu, H. Li* Progress in Materials Science (IF=48.165), 2022, 126,100921.

13.Progress in Solvent-Free Dry-Film Technology for Batteries and Supercapacitors. Y. Li, Y. Wu, Z. Wang, J. Xu, T. Ma, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Materials Today (IF=31.041), 2022, 55,92-109.

14.Long-Life Lithium-Metal All-Solid-State Batteries and Stable Li Plating Enabled by In-situ Formation of Li3PS4 in SEI Layer. J. Xu, J. Li, Y. Li, M. Yang, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Advanced Materials (IF=32.086), 2022, 2203281.

15.Long-life Sulfide All-solid-state Battery Enabled by Substrate-Modulated Dry-Process Binder. Y. Li, Y. Wu, T. Ma, Z. Wang, Q. Gao, J. Xu, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Advanced Energy Materials (IF=29.698), 2022, 01732.

16.Air Stability of Sulfide Solid-state Batteries and Electrolytes. P. Lu#, D. Wu#, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Electrochemical Energy Reviews (IF=30.01), 2022, 5:3.

17.Improving Thermal Stability of Sulfide Solid Electrolytes: An Intrinsic Theoretical Paradigm. S. Wang, Y. Wu, H. Li, L. Chen,F. Wu*. Infomat (IF=25.405) 2022, 212316.

18.Wide-temperature, Long-cycling, and High-loading Pyrite All-solid-state Batteries Enabled by Argyrodite Thioarsenate Superionic Conductor. P. Lu, Y. Xia, G. Sun, S. Shi, Z. Sha, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Advanced Functional Materials(IF=19.924), 2022, 2211211.

19.Thermal Stability between Sulfide Solid Electrolytes and Oxide Cathode. S. Wang, Y. Wu, T. Ma, L. Chen, H. Li,F. Wu*. ACS Nano(IF=18.9), 2022, 16, 10, 16158–16176.

20.Interfacial and Cycle Stability of Sulfide All-Solid-State Batteries with Ni-Rich Layered Oxide Cathodes. J. Wang, Z. Zhang, J. Han, X. Wang, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Nano Energy (IF=17.881), 2022, 107528.

21.Doping Strategy and Mechanism for Oxide and Sulfide Solid Electrolytes with High Ionic Conductivity. Y. Wang, Y. Wu, Z. Wang, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Journal of Materials Chemistry A (IF=12.732) 2022, 10, 4517 - 4532.

22.Recent Progress of Solid-Sstate Lithium Batteries in China. D. Wu, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Applied Physics Letters, 2022,121, 120502.

23.Air/water Stability Problems and Solutions for Lithium Batteries. M. Yang, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Energy Materials Advances, 2022, 9842651.

24.Stable Ni-rich layered oxide cathode for sulfide all-solid-state lithium battery. Y. Wang, Z. Wang, D. Wu, Q. Niu, P. Lu, T. Ma, Y. Su, L. Chen, H. Li,F. Wu*. eScience, 2022, 2, 537-545.

25.Progress in Lithium Thioborate Superionic Conductors. X. Zhu, Z. Zhang, L. Chen, H. Li.F. Wu*. Journal of Materials Research (invited paper), 2022, 37, 3269–3282.

26.Liquid-phase Synthesis of Li2S and Li3PS4 with Lithium-based Organic Solutions. J. Xu, Q. Wang, W. Yan, L. Chen, H. Li. F. Wu*. Chinese Physics B, 2022, 31,098203.

【作者及團隊介紹】         

第一作者：彭健：男，中科院物理所吳凡團隊博士畢業生，研究方向為鋰金屬負極材料及其優化改性。

       
合作作者：陳立泉：中科院物理所博士生導師。中國工程院院士。北京星恒電源股份有限公司技術總監。曾任亞洲固體離子學會副主席，中國材料研究學會副理事長，2004年至今任中國硅酸鹽學會副理事長。主要從事鋰電池及相關材料研究，在中國首先研制成功鋰離子電池，解決了鋰離子電池規模化生產的科學、技術與工程問題，實現了鋰離子電池的產業化。近年來，開展了全固態鋰電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、室溫鈉離子電池等研究，為開發下一代動力電池和儲能電池奠定了基礎。曾獲國家自然科學獎一等獎、中科院科技進步獎特等獎和二等獎，2007年獲國際電池材料協會終身成就獎。2001年當選為中國工程院院士。 

       
合作作者：李泓：中國科學院物理研究所研究員，博士生導師。主要研究方向為高能量密度鯉離子電池、固態鯉電池、電池失效分析、固態離子學。提出和發展了高容量納米硅碳負極材料，基于原位固態化技術的混合固液電解質高能量密度鯉離子電池及全固態電池等。發表了470余篇學術論文，引用47000次，授權70余項發明專利，H因子115。國家重大人才工程B類專家，榮獲國家杰出青年科學基金資助。目前是科技部和工信部+四五儲能和智能電網重點專項實施方案與指南編寫組的總體組組長，國家新能源汽車創新中心學術委員會委員。國際固態離子學會、國際鯉電池會議、國際儲能聯盟科學執委會成員。圍繞固態電池，推動孵化成立了多家企業。  

通訊作者：

吳凡：中科院物理所博士生導師、共青團常州市委副書記。入選國家級人才計劃、中科院人才計劃、江蘇省杰出青年基金。獲全國青年崗位能手（共青團中央）、全國未來儲能技術挑戰賽一等獎、全國先進儲能技術創新挑戰賽二等獎（國家工信部）、江蘇青年五四獎章等榮譽。

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