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斯坦福大学崔屹团队研发悬浊电解液,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,有望解决锂电池关键问题
2022年01月18日 11:00 新浪网 作者 我是科学家iScientist

  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?

  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。所以我们希望可以沉积出大块的金属锂,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。

  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

  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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