北京纳能所蒲雄团队: 高性能阻燃型液体电解质推进高压锂电池实用化

学术   2024-12-29 12:56   北京  

研究背景

高电压锂金属电池 (LMBs) 结合了高容量锂金属阳极(3860 mA h g⁻¹)和高电压阴极 (>4.3 V),具有优异的能量密度 (>400 W h kg⁻¹),被认为是最有前途的下一代储能器件。
  • 然而,传统的商用电解质电化学稳定窗口窄,在高电压下容易分解,与阴极发生明显的副反应,导致阴极材料结构崩塌,过渡金属离子溶解,最终降低电池的库仑效率 (CE),缩短电池循环寿命。
  • 同时,这一过程也加剧了与锂金属阳极的副反应,导致锂枝晶过度生长。
  • 此外,商用电解质的可燃性在更苛刻的高电压操作下可能会被放大。
因此,开发具有宽电压稳定窗口、高阻燃性、优异界面稳定性和高离子电导率的新型电解质对于高电压 LMBs 的实际应用至关重要。

文章简介

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员、香港理工大学黄渤龙教授研究团队开发了一种基于 3-氰基-6-三氟甲基吡啶 (CTFP) 的富氟阻燃型深共晶电解质 (DEEs),通过 CTFP 结构中吡啶-N 和氰基-N 双配位作用诱导解离 LiTFSI,产生共晶效应,形成室温高离子电导率 (25 ℃ 时,1.36×10⁻⁴ S cm⁻¹)、高锂离子转移数 (0.81) 的阻燃型液体电解质。

该深共晶电解质由于富 –CF₃ 和 –CN 基团不仅能降低 DEEs 的 HOMO 能,提高 DEEs 的氧化电位 (–4.84 V),还能在锂金属阳极和高电压阴极上分别形成稳定的富 LiF 和 Li₃N 的 SEI 和 CEI 双强化界面层,有效地抑制锂枝晶的生长,稳定了锂金属电极/电解质界面。此外,还大大减少了富镍阴极在充放电过程中的不可逆相变,同时抑制了电解液的分解和过渡金属的溶解。基于此,该 DEEs 可匹配多种高电压阴极 (LFP、NCM811、LMO 等),可在 4.5 V 下稳定循环,优于传统的碳酸酯基液体电解质。

总之,本研究中开发的深共晶电解质能为 LMBs 的电解质设计提供了实用的电解质和有见地的一般原则。该成果以“Fluorine-rich deep eutectic electrolytes enabling robust interphases and nonflammability of high-voltage lithium metal batteries” (《富氟深共晶电解质可实现高压锂金属电池的稳健界面和不易燃性》) 为题,发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry A 上,并入选为 hot article

论文信息

  • Fluorine-rich deep eutectic electrolytes enabling robust interphases and nonflammability of high-voltage lithium metal batteries

    Jun Yang, Mingzi Sun, Rongrong Li, Lijiang Yin, Bolong Huang* and Xiong Pu*蒲雄,中国科学院北京纳米能源与系统研究所)

    J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 27269-27279
    https://doi.org/10.1039/D4TA04316B

作者简介

杨军 博士研究生
广西大学
本文第一作者,广西大学物理科学与工程技术学院博士研究生,于 2021 年在中国科学院北京纳米能源与系统研究所联合培养,导师为蒲雄研究员。于 2024 年 6 月获得广西大学博士学位。主要研究方向为基于锂金属电池、固态电池等新型电化学储能材料与器件研究。






黄勃龙 教授
香港理工大学

本文通讯作者,香港理工大学教授,于 2007 年本科毕业于北京大学物理系,同年前往剑桥大学从事材料理论研究,并于 2012 年获得博士学位。2012-2015 年,黄教授先后于北京大学、香港城市大学和香港理工大学开展博士后的相关研究,并于 2015 年入职香港理工大学,目前担任应用生物及化学科技学系副教授与碳战略催化研究中心主任。黄教授的研究方向主要为纳米材料、能源材料、固体功能材料和稀土材料的电子态性质,以及这些材料在纳米表界面、多尺度下的能源转换应用。目前黄教授共发表 SCI  论文 325 篇,包括 Nature, Science, Nat. Syn., Sci. Adv., Energy Environ. Sci. 等杂志,其中第一/共同第一/通讯作者文章275篇,H-index 为85,文章引用次数超过 24000 次, 并多次被选为封面推荐文章。黄勃龙教授入选 2022-2023 年科睿唯安全球高被引学者,2022-2023 年斯坦福大学评选的全球 Top2% 高被引科学家等,承担国家自然科学基金委青年基金、面上计划、基金委与香港研究资助局联合科研资助基金、香港研究资助局优配基金等项目, 并作为项目骨干参与“十四五”国家重点研发计划等项目。此外,黄教授受邀在国内国际重要学术会议上做邀请或主旨报告 40 余次。







蒲雄 研究员
中国科学院北京纳米能源与系统研究所

本文通讯作者,中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员。2007 年、2010 年在西安交通大学分别获得工学学士和硕士学位,2014 年于美国德克萨斯农工大学获得博士学位。同年,加入北京纳米能源与系统研究所。主要从事柔性能源与柔性电子材料相关研究,包括机电能量转换材料与器件、电化学能量存储材料与器件、及离子导体聚合物材料等方面的研究工作。以一作/通讯作者在 Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. In. Ed. 等 SCI 期刊发表论文 100 余篇;论文他引 10000 余次、引用大于 1000 次研究论文 1 篇;出版国际专著 3 章;申请中国发明专利 10 余项;组织了国际会议分会4次,在国内国际会议作报告 30 余次;担任 Elesiver 旗下 Materials Science in Semiconductor Processing 期刊副主编(JCR Q2);2019-2024 连续入围 斯坦福大学评选的全球 Top2% 科学家榜单,入围 2023 年 Elsevier 中国高被引科学家榜单;主持国家自然科学基金、科技部重点研发项目课题、中科院国际合作项目等基金项目。

期刊介绍

Materials with applications in energy & sustainability

rsc.li/materials-a

J. Mater. Chem. A

2-年影响因子*10.7
5-年影响因子*10.8
JCR 分区*Q1能源与燃料
Q1化学-物化
Q1材料-多学科
CiteScore 分19.5
中位一审周期30 


Journal of Materials Chemistry A和 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A和 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是,Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用,Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用,Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。

Editor-in-Chief
  • Anders Hagfeldt
    🇸🇪 乌普萨拉大学

Scientific editors
  • Sofia Calero
    🇳🇱 埃因霍芬理工大学

  • Serena Cussen
    🇮🇪 都柏林大学学院

  • Frank Osterloh
    🇺🇸 加州大学戴维斯分校

  • Xiaowei Zhan (占肖卫)
    🇨🇳 北京大学

Associate editors

  • Veronica Augustyn
    🇺🇸 北卡罗来纳州立大学

  • Viola Birss
    🇨🇦 卡尔加里大学

  • Ghim Wei Ho (何锦韦)
    🇸🇬 新加坡国立大学

  • Yun Jeong Hwang
    🇰🇷 首尔国立大学

  • Kisuk Kang
    🇰🇷 首尔国立大学

  • Subrata Kundu
    🇮🇳 中央电化学研究所(CSIR-CECRI)

  • Dan Li (李丹)
    🇨🇳 暨南大学

  • Yi-Chun Lu (卢怡君)
    🇨🇳🇭🇰 香港中文大学

  • Jennifer Rupp
    🇩🇪 慕尼黑工业大学

  • Miriam Unterlass
    🇩🇪 康斯坦茨大学

  • Lydia Helena Wong
    🇸🇬 南洋理工大学

  • Li-Zhu Wu (吴骊珠)
    🇨🇳 中科院理化所

  • Yusuke Yamauchi
    🇦🇺 昆士兰大学

  • Zhen Zhou (周震)
    🇨🇳 南开大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
 CiteScore 2023 by Elsevier
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