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(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(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(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(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 

2.High-Areal-Capacity and Long-Cycle-Life All-Solid-State Battery Enabled By Freeze Drying Technology. T. Ma, Z. Wang, D. Wu, P. Lu, X. Zhu, M. Yang, J. Peng, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Energy & Environmental Science (IF=40) 2023, 16, 2142 - 2152.

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

5.High-Safety, Wide-Temperature-Range, Low-External-Pressure and Dendrite-Free Lithium Battery with Sulfide Solid Electrolyte. J. Peng, D. Wu, P. Lu, Z. Wang, Y. Du, Y. Wu, Y. Wu, W. Yan, J. Wang, H. Li, L. Chen &F. Wu*. Energy Storage Materials (IF=20.831) 2023, 54: 430-439.

6.Anode Interfacial Issues in Solid-State Li Batteries: Mechanistic Understanding and Mitigating Strategies. J. Wang, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Energy & Environmental Materials (IF=15.122), 2023, 0, e12613

7.Fast Charge Storage Kinetics by Surface Engineering for Ni-Rich Layered Oxide Cathode. J. Wang, Z. Zhang, W. He, Z. Wang, S. Weng, Q. Li, X. Wang, S. Barg, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Journal of Materials Chemistry A (IF=14.511), 2023, 11, 10239 - 10253.

8.High-Capacity Sulfide All-Solid-State Lithium battery with Conversion-type Iron Fluoride Cathode. X. Wang, Z. Wang, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Journal of Materials Chemistry A (IF=14.511), 2023, in press.

9.Toward Better Batteries: Solid-State Battery Roadmap 2035+. D. Wu,F. Wu*. eTransportation, (IF=13.661), 2023,16,100224.

10.Long-life High-capacity Lithium Battery with Liquid Organic Cathode and Sulfide Solid Electrolyte. J. Peng, D. Wu, H. Li, L. Chen & F. Wu* Battery Energy, 2023, 20220059.

11.Application of liquid metal electrodes in electrochemical energy storage. J. Peng, H. Li, L. Chen & F. Wu*. Precision Chemistry, 2023, in press.

12.Solid state ionics - selected topics and new directions.F. Wu, L. Liu, S. Wang, J. Xu, P. Lu, W. Yan, J. Peng, D. Wu, H. Li* Progress in Materials Science (IF=48.165), 2022, 126,100921.

13.Progress in Solvent-Free Dry-Film Technology for Batteries and Supercapacitors. Y. Li, Y. Wu, Z. Wang, J. Xu, T. Ma, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Materials Today (IF=31.041), 2022, 55,92-109.

14.Long-Life Lithium-Metal All-Solid-State Batteries and Stable Li Plating Enabled by In-situ Formation of Li3PS4 in SEI Layer. J. Xu, J. Li, Y. Li, M. Yang, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Advanced Materials (IF=32.086), 2022, 2203281.

15.Long-life Sulfide All-solid-state Battery Enabled by Substrate-Modulated Dry-Process Binder. Y. Li, Y. Wu, T. Ma, Z. Wang, Q. Gao, J. Xu, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Advanced Energy Materials (IF=29.698), 2022, 01732.

16.Air Stability of Sulfide Solid-state Batteries and Electrolytes. P. Lu#, D. Wu#, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Electrochemical Energy Reviews (IF=30.01), 2022, 5:3.

17.Improving Thermal Stability of Sulfide Solid Electrolytes: An Intrinsic Theoretical Paradigm. S. Wang, Y. Wu, H. Li, L. Chen,F. Wu*. Infomat (IF=25.405) 2022, 212316.

18.Wide-temperature, Long-cycling, and High-loading Pyrite All-solid-state Batteries Enabled by Argyrodite Thioarsenate Superionic Conductor. P. Lu, Y. Xia, G. Sun, S. Shi, Z. Sha, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Advanced Functional Materials(IF=19.924), 2022, 2211211.

19.Thermal Stability between Sulfide Solid Electrolytes and Oxide Cathode. S. Wang, Y. Wu, T. Ma, L. Chen, H. Li,F. Wu*. ACS Nano(IF=18.9), 2022, 16, 10, 16158–16176.

20.Interfacial and Cycle Stability of Sulfide All-Solid-State Batteries with Ni-Rich Layered Oxide Cathodes. J. Wang, Z. Zhang, J. Han, X. Wang, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Nano Energy (IF=17.881), 2022, 107528.

21.Doping Strategy and Mechanism for Oxide and Sulfide Solid Electrolytes with High Ionic Conductivity. Y. Wang, Y. Wu, Z. Wang, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Journal of Materials Chemistry A (IF=12.732) 2022, 10, 4517 - 4532.

22.Recent Progress of Solid-Sstate Lithium Batteries in China. D. Wu, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Applied Physics Letters, 2022,121, 120502.

23.Air/water Stability Problems and Solutions for Lithium Batteries. M. Yang, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Energy Materials Advances, 2022, 9842651.

24.Stable Ni-rich layered oxide cathode for sulfide all-solid-state lithium battery. Y. Wang, Z. Wang, D. Wu, Q. Niu, P. Lu, T. Ma, Y. Su, L. Chen, H. Li,F. Wu*. eScience, 2022, 2, 537-545.

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(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(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(jìn)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?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(diǎn)專項(xiàng)實(shí)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(tuán)常州市委副書記。入選國家級人才計(jì)劃、中科院人才計(jì)劃、江蘇省杰出青年基金。獲全國青年崗位能手（共青團(tuán)中央）、全國未來儲能技術(shù)挑戰(zhàn)賽一等獎、全國先進(jìn)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(yù)。

中科院物理所吳凡團(tuán)隊(duì)熱誠歡迎博士后、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 ）。來信請聯(lián)系：fwu@iphy.ac.cn。