中科院物理所吳凡團(tuán)隊(duì)- 液態(tài)金屬電極在電化學(xué)儲(chǔ)能中的應(yīng)用
來源：原創(chuàng) | 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(rèn)為是最理想的鋰電池負(fù)極材料，但傳統(tǒng)的鋰金屬-液體電解液電池系統(tǒng)存在著低庫(kù)侖效率、SEI重復(fù)破裂生成和鋰枝晶生長(zhǎng)等問題。由堿金屬、芳香烴和醚類溶劑組成的復(fù)合液態(tài)金屬溶液電極可抑制鋰枝晶形核生長(zhǎng)，從而解決以上問題。這些復(fù)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(wěn)定、更安全。基于此，中科院物理所吳凡教授團(tuán)隊(duì)詳細(xì)總結(jié)梳理了堿金屬、芳香烴和醚類溶劑的復(fù)合溶液電極研發(fā)現(xiàn)狀，包括其發(fā)展歷史、作用原理和特點(diǎn)等。此外，還討論并提出了限制其實(shí)際應(yīng)用的障礙和未來研究方向，以促進(jìn)這一領(lǐng)域的良性發(fā)展。相關(guān)成果發(fā)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(diǎn)】
圖1. 液態(tài)金屬溶液的研究歷史
圖2. 液態(tài)金屬溶液的電池結(jié)構(gòu)
圖3. 液態(tài)金屬溶液的制備和潤(rùn)濕性
圖4. 液態(tài)金屬溶液中分子間的相互作用
圖5. 液態(tài)金屬溶液的電導(dǎo)率
圖6. 液態(tài)金屬溶液的電勢(shì)
圖7. 液態(tài)金屬溶液的安全性
圖8. 液態(tài)金屬-空氣電池
圖9. 液態(tài)金屬半固態(tài)電池
圖10. 其他液態(tài)金屬電池
【總結(jié)/展望】
本文總結(jié)了液態(tài)堿金屬負(fù)極的發(fā)展歷程，全面分析了液態(tài)堿金屬的理化特性，總結(jié)了近年來含液態(tài)堿金屬負(fù)極的電池的相關(guān)工作，并按照不同電池結(jié)構(gòu)的分類對(duì)含液態(tài)堿金屬負(fù)極的電池進(jìn)行了介紹。
熔融態(tài)金屬鋰和液態(tài)鈉鉀合金有很多缺點(diǎn)，包括需要高溫來維持液態(tài)，金屬鋰的熔點(diǎn)高（200℃），界面潤(rùn)濕性差，安全性差等。因此，液態(tài)堿金屬溶液體系具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，液態(tài)堿金屬溶液的比容量較低（Li1.5BP3DME10的容量?jī)H為29 mAh/g），這樣，單用液態(tài)堿金屬溶液作為負(fù)極材料，無法實(shí)現(xiàn)高能量密度電池。因此需要使用堿金屬負(fù)極作為金屬鋰的保護(hù)層材料。考慮到現(xiàn)有的液態(tài)堿金屬體系電池不能固定在金屬鋰的表面作為穩(wěn)定的保護(hù)層，需要設(shè)計(jì)一種新的結(jié)構(gòu)/配置，將液態(tài)堿金屬包裹在電池的中間，形成穩(wěn)定的界面層。由于液態(tài)堿金屬溶液的揮發(fā)性，液態(tài)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(tài)堿金屬的揮發(fā)得到抑制，電池的長(zhǎng)周期性能得到提高。同時(shí)，還應(yīng)該開發(fā)與液態(tài)堿金屬和固體電解質(zhì)兼容的具有較高離子傳導(dǎo)性的界面層，進(jìn)一步提高該電池系統(tǒng)的倍率性能。因此，液態(tài)堿金屬的應(yīng)用前景是設(shè)計(jì)和開發(fā)一種新型的堿金屬電池，可以實(shí)際應(yīng)用液態(tài)堿金屬和液態(tài)堿金屬的凝膠層作為保護(hù)層。這將為大規(guī)模制備安全性高、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)的固態(tài)堿金屬電池奠定良好的基礎(chǔ)。
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
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【作者及團(tuán)隊(duì)介紹】
第一作者：彭健：男，中科院物理所吳凡團(tuán)隊(duì)博士畢業(yè)生，研究方向?yàn)殇嚱饘儇?fù)極材料及其優(yōu)化改性。
合作作者：陳立泉：中科院物理所博士生導(dǎo)師。中國(guó)工程院院士。北京星恒電源股份有限公司技術(shù)總監(jiān)。曾任亞洲固體離子學(xué)會(huì)副主席，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，2004年至今任中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。主要從事鋰電池及相關(guān)材料研究，在中國(guó)首先研制成功鋰離子電池，解決了鋰離子電池規(guī)模化生產(chǎn)的科學(xué)、技術(shù)與工程問題，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。近年來，開展了全固態(tài)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(fā)下一代動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池奠定了基礎(chǔ)。曾獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中科院科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)，2007年獲國(guó)際電池材料協(xié)會(huì)終身成就獎(jiǎng)。2001年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。
合作作者：李泓：中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)楦吣芰棵芏弱庪x子電池、固態(tài)鯉電池、電池失效分析、固態(tài)離子學(xué)。提出和發(fā)展了高容量納米硅碳負(fù)極材料，基于原位固態(tài)化技術(shù)的混合固液電解質(zhì)高能量密度鯉離子電池及全固態(tài)電池等。發(fā)表了470余篇學(xué)術(shù)論文，引用47000次，授權(quán)70余項(xiàng)發(fā)明專利，H因子115。國(guó)家重大人才工程B類專家，榮獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助。目前是科技部和工信部+四五儲(chǔ)能和智能電網(wǎng)重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案與指南編寫組的總體組組長(zhǎng)，國(guó)家新能源汽車創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。國(guó)際固態(tài)離子學(xué)會(huì)、國(guó)際鯉電池會(huì)議、國(guó)際儲(chǔ)能聯(lián)盟科學(xué)執(zhí)委會(huì)成員。圍繞固態(tài)電池，推動(dòng)孵化成立了多家企業(yè)。
通訊作者：
吳凡：中科院物理所博士生導(dǎo)師、共青團(tuán)常州市委副書記。入選國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃、中科院人才計(jì)劃、江蘇省杰出青年基金。獲全國(guó)青年崗位能手（共青團(tuán)中央）、全國(guó)未來儲(chǔ)能技術(shù)挑戰(zhàn)賽一等獎(jiǎng)、全國(guó)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽二等獎(jiǎng)（國(guó)家工信部）、江蘇青年五四獎(jiǎng)?wù)碌葮s譽(yù)。
中科院物理所吳凡團(tuán)隊(duì)熱誠(chéng)歡迎博士后、博士研究生、工程師報(bào)考/加入課題組（https://www.x-mol.com/groups/wu_fan/people/8037 ）。來信請(qǐng)聯(lián)系：fwu@iphy.ac.cn。