中科院物理所吳凡團隊- 液態(tài)金屬電極在電化學(xué)儲能中的應(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為是最理想的鋰電池負極材料，但傳統(tǒng)的鋰金屬-液體電解液電池系統(tǒng)存在著低庫侖效率、SEI重復(fù)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(fù)合液態(tài)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(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隊詳細總結(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、作用原理和特點等。此外，還討論并提出了限制其實際應(yīng)用的障礙和未來研究方向，以促進這一領(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】
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
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)的分類對含液態(tài)堿金屬負極的電池進行了介紹。
熔融態(tài)金屬鋰和液態(tài)鈉鉀合金有很多缺點，包括需要高溫來維持液態(tài)，金屬鋰的熔點高（200℃），界面潤濕性差，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。然而，液態(tài)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(tài)堿金屬溶液作為負極材料，無法實現(xiàn)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(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)定的保護層，需要設(shè)計一種新的結(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，電池的長周期性能得到提高。同時，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)計和開發(fā)一種新型的堿金屬電池，可以實際應(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
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
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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
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23.Air/water Stability Problems and Solutions for Lithium Batteries. M. Yang, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Energy Materials Advances, 2022, 9842651.
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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(yè)生，研究方向為鋰金屬負極材料及其優(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)會副主席，中國材料研究學(xué)會副理事長，2004年至今任中國硅酸鹽學(xué)會副理事長。主要從事鋰電池及相關(guān)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(guī)模化生產(chǎn)的科學(xué)、技術(shù)與工程問題，實現(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)下一代動力電池和儲能電池奠定了基礎(chǔ)。曾獲國家自然科學(xué)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(xié)會終身成就獎。2001年當(dāng)選為中國工程院院士。
合作作者：李泓：中國科學(xué)院物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為高能量密度鯉離子電池、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余項發(fā)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(xué)基金資助。目前是科技部和工信部+四五儲能和智能電網(wǎng)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(chuàng)新中心學(xué)術(shù)委員會委員。國際固態(tài)離子學(xué)會、國際鯉電池會議、國際儲能聯(lián)盟科學(xué)執(zhí)委會成員。圍繞固態(tài)電池，推動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(shù)挑戰(zhàn)賽一等獎、全國先進儲能技術(shù)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽二等獎（國家工信部）、江蘇青年五四獎?wù)碌葮s譽。
中科院物理所吳凡團隊熱誠歡迎博士后、博士研究生、工程師報考/加入課題組（https://www.x-mol.com/groups/wu_fan/people/8037 ）。來信請聯(lián)系：fwu@iphy.ac.cn。