北理工在共溶劑調(diào)控金屬鋰電極界面規(guī)律方面取得最新研究成果
發(fā)布日期：2021-03-23 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：包長青 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：近日，北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授課題組在認(rèn)識共溶劑調(diào)控溶劑化結(jié)構(gòu)及鋰金屬界面生成機(jī)理方面取得了重要進(jìn)展。該研究成果以《Non-Solvating and Low-Dielectricity Cosolvent for Anion-Derived Solid Electrolyte Interphases in Lithium Metal Batteries》為題在線發(fā)表在化學(xué)類頂級國際期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》（《德國應(yīng)用化學(xué)》，影響因子12.959）。本文的通訊作者為北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授，共同第一作者分別為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉院碩士研究生丁俊凡、博士研究生許睿。
金屬鋰具有極高的理論比容量（3860mAh g?1）和最負(fù)的電化學(xué)電位（?3.040 V vs. the standard hydrogen electrode），是下一代高能量密度可充電電池最有前景的負(fù)極材料之一。然而，不穩(wěn)定的金屬鋰電極/電解液界面（SEI）是阻礙高比能鋰金屬電池實際應(yīng)用的嚴(yán)峻問題。深入理解鋰離子（Li+）內(nèi)層溶劑化結(jié)構(gòu)與SEI性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系可以為進(jìn)一步合理設(shè)計電極/電解液界面奠定基礎(chǔ)。
黃佳琦教授團(tuán)隊在最新的研究工作中闡明了共溶劑特性對Li+溶劑化結(jié)構(gòu)和金屬鋰表面SEI生成的重要影響。在此工作中，作者通過模型研究闡明，引入一種非溶劑化和低介電性（NL）共溶劑可以通過提供特定的低介電環(huán)境從本質(zhì)上增強(qiáng)陰離子和Li+之間的締合強(qiáng)度，有利于大量陰-陽離子聚集團(tuán)簇（AGGs,一個陰離子與兩個及以上 Li+配位）的產(chǎn)生。
圖1. NL共溶劑改變?nèi)軇┗Y(jié)構(gòu)進(jìn)而調(diào)控SEI生成過程
系統(tǒng)的研究結(jié)果表明，NL共溶劑自身不參與溶劑化結(jié)構(gòu)并提供低介電環(huán)境，其引入使帶正電的陰-陽離子聚集團(tuán)簇占主導(dǎo)地位，使得陰離子可以接近同樣荷負(fù)電的金屬鋰電極表面，從而加速陰離子分解并產(chǎn)生陰離子分解主導(dǎo)的富無組分SEI。
圖2. NL共溶劑加強(qiáng)陰離子和Li+結(jié)合強(qiáng)度，促使大量陰-陽離子聚集團(tuán)簇產(chǎn)生
作者通過構(gòu)建基于相對結(jié)合能以及介電常數(shù)的溶劑圖進(jìn)一步闡明了理想NL共溶劑的邊界條件。NL共溶劑需具有較大的相對結(jié)合能差值（Ebase solvent?Ecosolvent），相對主溶劑較弱的配位能力表明其較少參與Li+內(nèi)層溶劑化結(jié)構(gòu)；同時要具有低介電性，其帶來的低介電環(huán)境可有效地增強(qiáng)陰、陽離子間的內(nèi)在相互作用，有利于更多的陰離子進(jìn)入Li+溶劑化鞘層形成大量AGGs，從而促進(jìn)陰離子靠近鋰金屬表面分解。
圖3. 基于與Li+的相對結(jié)合能和介電常數(shù)的溶劑圖。
與主溶劑（本文中的乙二醇二甲醚，DME）相比，具有更低介電常數(shù)和更大相對結(jié)合能的溶劑（青色區(qū)域）可作為NL共溶劑，促進(jìn)陰-陽離子締合。
此工作闡明了電解液設(shè)計中基本物理化學(xué)原理的重要性，為下一代鋰金屬電池開發(fā)新型非溶劑化、低介電性、高相容性共溶劑提供了新的思路。
作者簡介：
黃佳琦，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。主要開展能源界面化學(xué)研究。在Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Adv Mater, Adv Funct Mater, Sci Bull等期刊發(fā)表研究工作100余篇，h因子為80，60余篇為ESI高被引論文。入選2015年首屆中國科協(xié)青年人才托舉計劃，獲評中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎，中國顆粒學(xué)會青年顆粒學(xué)獎，2018年國家萬人計劃青年拔尖人才，2018-2020年科睿唯安高被引科學(xué)家等，2020年北京市自然科學(xué)基金杰青項目等。
論文詳情：
Non-Solvating and Low-Dielectricity Cosolvent for Anion-Derived Solid Electrolyte Interphases in Lithium Metal Batteries
Jun-Fan Ding+,Rui Xu+,Nan Yao,Xiang Chen,Ye Xiao,Yu-Xing Yao,Chong Yan,Jin Xie,Jia-Qi Huang*
Angewandte Chemie International Edition ，doi：10.1002/anie.202101627
鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202101627
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