有望解决锂电池关键问题!斯坦福大学崔屹团队研发悬浊电解液,论文作者亲自解读——

今日,斯坦福大学崔屹教授课题组开发设计了悬浊电解液,并将这种电解液用于构筑高性能金属锂电池。该研究成果发表在《自然·材料》(Nature Materials)上。果壳编辑团队第一时间联系了研究团队,文章通讯作者崔屹教授告诉果壳:“我们近期开发研究了悬浊电解液,这种设计理念可以实现常用液态电解液的改性提高,也是电解液开发的新思路和新平台。

以下为论文第一作者张泽文为果壳硬科技撰写的论文解读。

张泽文 | 作者

酥鱼、靳小明 | 编辑

金属锂电池是指利用锂金属作为负极的电池,是最有希望的下一代高能量密度存储设备之一,能够满足新兴行业的严格性能要求。然而,将锂离子电池的石墨负极直接替换成金属锂负极,可能导致循环性能较差,甚至产生安全性问题,而电解液设计则被认为是能够改善这类问题的有效途径。

悬浊电解液好在哪?

传统锂离子电池电解液使用的是纯溶液,在室温混合均匀的状态下不含固体组分。悬浊电解液的区别在于向电解液中添加了纳米颗粒,为什么这样做呢?

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传统锂离子电池碳酸酯电解液(左)和对应的添加Li2O纳米颗粒的悬浊电极液(右)| 参考文献[1]

金属锂负极面临的一大重要问题,是在电池充放电过程中锂会形成枝晶沉积。这些枝晶会引发两方面问题,其一是再放电时,电池与负极的连接容易断开,从而失去活性,损失容量;此外也存在一些安全隐患,因为树枝状的晶体容易破坏电池结构,引发电池内短路。所以我们希望沉积出来的金属锂是大块的,这是把金属锂电池推向实用化的重要步骤

目前电池领域对于如何控制金属锂的沉积还没有完整的认识,是因为电池电极表面存在的一层纳米厚度的钝化膜。这是一种由负极材料和电解液反应自发形成的膜,使得电池能够稳定运行,这层膜的组成、结构与性质又主要由电解液的性质决定,其质量的好坏也很大程度上决定了金属锂电极的性能。

钝化膜的结构组成非常复杂,包含无机和有机的很多种电解液分解产物,氧化锂就是其中一种常见的无机组分。

在这项研究中,我们向电解液中加入了氧化锂纳米颗粒,它不仅通过增加钝化膜中无机物的比例来调控钝化膜的生成,改善钝化膜的性质,还能保持相对更好的分散性,使电解液在悬浊液状态保持更长时间,维持电池的稳定工作状态。在添加Li2O纳米颗粒的悬浊电解液中,金属锂沉积为块状。

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传统电解液与悬浊电解液效果对比金属锂在商用碳酸酯电解液中沉积成枝晶状(左)和在对应添加Li2O纳米颗粒的悬浊电极液中沉积为块状(右) | 参考文献[1]

产业化前景如何?

这种电解液设计思路能够拓宽现有的电解液研究范围,为新型高能量密度电池提供新的电解液解决方案。目前,电解液的设计概念尚处在探索阶段,还需要完善优化各个方面。此外,这项设计和电解液溶剂和溶质设计是独立的,可以应用于新的电解液体系。若要走上产业化道路,如何保证悬浊电解液的稳定性是接下来需要解决的问题。

研究团队

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通讯作者崔屹,斯坦福大学材料系教授, Precourt能源研究院主任,本科毕业于中国科学技术大学,博士毕业于哈佛大学,在加州大学伯克利分校从事博士后研究。主要研究领域为:纳米材料设计、合成和性能研究以及应用在能源存储、太阳能电池、催化、水和空气净化;二维层状材料;拓扑绝缘体;纳米生物学。在斯坦福大学任教以来,崔屹教授培养了160位博士,目前已有超过80位获得了教授职位。《麻省理工科技评论》推出的“35岁以下创新35人”(TR35)榜单,2004年崔屹教授就已入选,其实验室也已走出14位入选者,其中入选全球榜4人、中国榜10人。

(共同)第一作者

Mun Sek Kim,斯坦福大学化学工程系博士生;

张泽文,斯坦福大学材料科学与工程系博士生,本科毕业于清华大学材料学院。

论文信息

发布杂志

 《自然·材料》Nature Materials

发布时间

2022年01月17日

发布标题

Suspension electrolyte with modified Li+ solvation environment for lithium metal batteries

DOI:10.1038/s41563-021-01172-3

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01172-3

参考文献:

[1] Kim, M. S. et al. Suspension electrolyte with modified Li+ solvation environment for lithium metal batteries. Nat.Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-021-01172-3

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