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学院成果登上Science!自组装单分子层技术构筑超长寿命锂金属电池!
作者:材料学院 发布日期:2022-02-22 浏览次数:1961

      近日,我院新能源材料与技术研究所陶新永教授团队与新加坡南洋理工大学楼雄文教授合作,首次将自组装单分子层表界面技术用于调控电解质氧化还原状态,实现对高比能量金属锂电池电解质分解的精确控制。该成果以“Self-assembled monolayers direct a LiF-rich interphase toward long-life lithium metal batteries”为题,浙江工业大学作为第一完成单位,在Science期刊上在线发表。

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      锂枝晶的生长是导致高比能锂金属电池(LMBs)容量快速衰减和安全问题的主要原因,限制了锂金属阳极的大规模商业应用。在抑制锂枝晶生长的研究中,与锂传输和沉积密切相关的固态电解质膜(SEI)的修饰或重建是最关键的策略手段。根据以往的研究表明,LiF凭借其高界面能、高化学稳定性和较低的Li+扩散势垒,能够有效稳定SEI膜、提高Li+的传输能力,从而提高LMBs的循环寿命。LiF是含氟电解质成分的分解产物,因此,精确控制电解液中C-F键的分解,构建富含LiF的SEI膜的策略具有很大的挑战性。

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图1. 富含LiF的固态电解质界面膜能够有效抑制金属锂枝晶,提升负极稳定性;羧基端基的自组装单分子层通过引入偶极矩加速LiTFSI还原分解动力学,诱导形成富LiF的固态电解质界面膜,使金属锂电池在苛刻条件下依旧获得超长循环寿命。

      该研究通过在商用氧化铝涂覆的陶瓷隔膜表面修饰高度一致且长程有序的SAMs,在阳极界面处引入偶极矩改变电子转移动力学,从而加速含氟锂盐的还原分解过程,成功构筑了富含LiF的高稳定性SEI膜,促进了Li+的快速转移并抑制锂枝晶的生长,实现了在高正极负载、有限锂源和贫电解液等苛刻条件下优异的全电池循环性能。由于SAMs分子结构高度可调且可简便应用于商用电池隔膜体系,因而该策略可扩展到其它电极体系,构建性能更为优异的各类储能器件。

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图2. 自组装单分子层偶极矩关联的静电势等值面计算及富LiF的固态电解质界面膜冷冻透射电镜原子级结构可视化


近年来,学院新能源材料与技术研究所张文魁教授团队与陶新永教授团队等依托浙江省重中之重学科,长期坚持新能源材料领域的基础和产业化研发,围绕新能源材料学科前沿以及相关战略性产业的重要难题开展科学研究和人才培养工作,在先进二次电池材料的基础和产业化领域形成了鲜明的研究特色和技术优势,并培养了一支高水平的科研队伍。研究所先后承担国家863计划、国家基金联合基金重点、国家优青项目等国家级项目20余项、企业合作项目50余项,在Science,Nat. Energy,Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., ACS Nano等知名期刊上发表论文 100余篇。授权发明专利100余项,并与多家锂离子电池企业开展产学研合作,及时转化研究成果,实现了多种规格的锂离子电池产业化生产,取得了显著经济和社会效益。


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