清华大学张强团队，一天连发Angew/JACS！
学术
2024-10-05 20:42
江西
2024年10月1日，清华大学张强教授课题组与其他团队合作在Angew. Chem. Int. Ed.（IF=16.1）和J. Am. Chem. Soc.（IF=14.4）上连续发表了最新成果，即“Artificial Electron Channels Enable Contact Prelithiation of Li-Ion Battery Anodes with Ultrahigh Li-Source Utilization”和“Bulk/Interfacial Structure Design of Li-Rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries”。下面，对这两篇成果进行简要的介绍！ Angew. Chem. Int. Ed.：人工电子通道实现超高的锂源利用率！接触式预锂化被广泛用于补偿锂离子电池的初始容量损失。然而，由于接触界面的恶化，锂源利用率低，导致循环退化。基于此，清华大学张强教授和北京理工大学闫崇（共同通讯作者）等人报道了通过结合磁控溅射和真空热蒸发的方法，将Li-Ag合金（50 at.% Li）作为接触预锂化的引导人工电子通道（AEC）层成功插入Li源膜/石墨负极界面。AEC呈现出单分散的岛层形态，不仅减少了AEC层的质量负荷，而且保证了足够的电子/离子通道进行预锂化和循环。更重要的是，实验和理论计算证明，Li-Ag合金对Li扩散的屏蔽作用可以使AEC限制干态界面腐蚀，从而在整个预锂化过程中保持Li源/Li-Ag/负极界面上的快速电子传递。因此，由干态过程产生的剩余锂源在随后的湿态过程中被常规电解质深度转化，显示出高锂源利用率（90.7%）和和无死锂形态。正如预期的那样，初始库仑效率（CE）约为100%的AEC预锂化石墨负极使得LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2（NCM523）软包电池的能量密度增加了35.8%，并且在600次循环中具有优异的循环性能。此外，AEC辅助接触预锂化也适用于硅基负极。本研究为构建高效的前锂化技术以开发高能锂离子电池（LIBs）提供了重要的见解。图1-4. AEC辅助接触式预锂化（ACP）的性能在接触预锂化过程中，作者构建了单分散的Li-Ag合金基AECs，以建立Li源和石墨阳极之间的电子通道。由于Li离子从Li-Ag合金（50 at.% Li）中逸出的高扩散势垒，在AECs相关界面上发生的干态腐蚀反应活性低于Li源/石墨界面。因此，在随后的湿态过程中，无阻碍的AEC可以有效地刺激剩余锂源预锂化负极，将锂源利用率从61.2%提高到90.7%。由于锂源利用率高，石墨和硅基负极在AEC辅助接触预锂化后均表现出较高的初始CE，且在反应界面上没有明显的死锂残留。这种改进的接触预锂化方法不仅使NCM523软包电池的能量密度提高了35.8%，而且在600次循环中保持了良好的电化学稳定性。此外，AEC辅助接触预锂化的制备工艺有利于卷对卷工业化，并且与各种可充电电池负极具有很高的兼容性。这些发现有助于指导AEC或其他与AEC具有相同功能的“缓冲层”的合理设计，为接触预岩化带来解决方案。J. Am. Chem. Soc.：富锂锰基正极助力全固态锂电池！富锂锰基正极材料（LRMO）在提高全固态电池（ASSBs）能量密度方面具有广阔的应用前景。然而，高效Li+/e-通道的发展受到LRMO正极导电性差以及其与固态电解质（SEs）界面不相容的阻碍。基于此，清华大学张强教授和赵辰孜助理研究员（共同通讯作者）等人报道了通过一步合成法将具有立方通道结构的Li2WO4加入到LRMO正极中，以改变其体/界面结构，用于先进的ASSBs。在LRMO正极中引入Li2WO4（5% Li2WO4&Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2，简称5W&LRMO），实现了块体嵌入结构，从而改善了LRMO正极块体结构中的Li+/e−传输动力学。块体中W的取代增强了LRMO正极的晶体结构稳定性，提高了正离子和阴离子的氧化还原活性，并显著抑制了过渡金属的迁移。此外，Li2WO4表面涂层改善了氧氧化还原对电荷补偿的参与，从而增强了LRMO正极表面氧氧化还原的可逆性，稳定了高压界面，最终在ASSBs中产生了高面积容量（~3.15 mAh/cm2）和长循环稳定性（在1 C和25 °C下，循环≥1200次后容量保持率为84.1%）。本研究为ASSB应用中开发LRMO正极的体和界面结构的设计提供了新的见解，重点是超稳定高压界面和高负载复合电极。图2-2.正极复合材料在第一次充电过程中的界面Li+动力学演变总之，作者通过在LRMO块体/界面结构中引入Li2WO4，成功地改善了LRMO正极的Li+动力学，并获得了更高的面容量。Li2WO4的引入使得在块体LRMO正极和正极/固态电解质（SEs）界面上形成稳定和快速的Li+/e−传输途径成为可能。此外，通过扩大Li(LiO2)层间距和减小S(MO2)层厚度，可以增强Li离子的扩散动力学，从而提高层状结构的稳定性。通过STEM、XAS、TOF-SIMS、XCT、原位GEIS和DRT分析表明，在室温下正极复合材料的体结构氧氧化还原活性增强，表面氧氧化还原的可逆性增强。在长期循环过程中，TM离子的迁移和电压衰减被显著抑制。在长时间的循环过程中，LRMO正极/SEs在高压下保持了界面稳定性，从而获得了高面积容量和长循环稳定性的电化学性能。本发现为设计旨在最大化全固态电池高能量密度的LRMO结构提供了有价值的见解。1. Artificial Electron Channels Enable Contact Prelithiation of Li-Ion Battery Anodes with Ultrahigh Li-Source Utilization. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202413926.2. Bulk/Interfacial Structure Design of Li-Rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries. J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c08115.🌟 同步辐射，找华算 ！三代光源，全球机时，最快一周出结果，保质保量！👉全面开放项目：同步辐射硬线/软线/高能/液体/原位/SAXS/GIWAXS/PDF/XRD/数据拟合！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
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