北京理工大學(xué)在Adv. Mater.上發(fā)表《“水-醚”電解質(zhì)基水系鋰離子電池的穩(wěn)定電化學(xué)界面研究》論文
? ? ? 近日，材料類頂級(jí)國(guó)際期刊《Advanced Materials》（《先進(jìn)材料》，影響因子27.398）報(bào)道了北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳人杰教授課題組在新型水系鋰離子電池電解質(zhì)方面的研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“An “Ether-In-Water” Electrolyte Boosts Stable Interfacial Chemistry for Aqueous Lithium-Ion Batteries”為題在線發(fā)表。尚妍欣博士為第一作者，陳楠副研究員、李月姣副教授、陳人杰教授為共同通訊作者。
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)具有高效可逆能量存儲(chǔ)的鋰離子電池的需求不斷增加，但商業(yè)鋰電池大多數(shù)采用的是有機(jī)液體電解質(zhì)，其在使用過程中存在著泄露、揮發(fā)、氧化分解及熱失控等問題。應(yīng)用于水系鋰離子電池的電解質(zhì)由于其具有離子電導(dǎo)率高、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前新電池體系及關(guān)鍵材料研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。但是，水本身固有的較窄的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口（1.23 V）限制了水系電池的工作電壓和能量密度。雖然SEI膜可以拓寬電解質(zhì)的電化學(xué)窗口，但傳統(tǒng)水系電池電解質(zhì)的分解產(chǎn)物為H2和O2，無法以固態(tài)形式沉積在電極表面上。近年來，一些開創(chuàng)性的工作通過降低水的活性、電極表面構(gòu)筑穩(wěn)定SEI膜，為高濃鹽水系電解質(zhì)材料的設(shè)計(jì)研究提供了新的思路。
通常，理想的水系SEI膜應(yīng)具有均勻的厚度、低溶解度、較好的柔韌性以及有效分離活性物質(zhì)與電解質(zhì)的能力。醚類溶劑，特別是TEGDME，由于具有較高的介電常數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)鋰鹽陰陽離子對(duì)的有效分離，提高鋰鹽在電解液中的濃度，從而獲得較高的電導(dǎo)率。同時(shí)，醚類溶劑形成的SEI膜具有薄、致密、結(jié)構(gòu)均勻等優(yōu)點(diǎn)，因此可以作為有效的水系電解質(zhì)溶劑組分之一，提高電池的穩(wěn)定性。
陳人杰教授課題組首次提出了一種新型的“ether?in?water” electrolyte（EIWE）水系混合電解質(zhì)，將電化學(xué)穩(wěn)定窗口擴(kuò)大到4.2 V，紅外/拉曼光譜對(duì)形成的新的溶劑化結(jié)構(gòu)中TEGDME/H2O/LiTFSI三組分間的相互作用進(jìn)行了分析，并結(jié)合DFT和AIMD模擬，對(duì)成膜機(jī)理進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，當(dāng)LiTFSI:TEGDME:H2O="4:1:7時(shí)，Li+2(TFSI?) 和 Li+4(TEGDME)的還原電位均高于水的析氫電位，二者會(huì)優(yōu)先還原形成SEI膜，而這層膜分別是由Li+2(TFSI-)還原得到的無機(jī)物L(fēng)iF和由Li+4(TEGDME)還原得到的有機(jī)含碳物質(zhì)組成的雙層界面。作者通過不同濃度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了15m (mol/kg)的?EIWE抑制水分解和析氫反應(yīng)效果最佳。TEM表征進(jìn)一步研究了界面膜對(duì)電極的保護(hù)機(jī)理。在15m EIWE中，CEI膜和SEI膜均表現(xiàn)出了較好的均勻性和穩(wěn)定性。DEMS定量分析了不同濃度電解質(zhì)H2O分解產(chǎn)生H2和O2的量。9m?EIWE在2.6V有明顯的H2釋放，而15m?EIWE中釋放的氣體量可以忽略不計(jì)，表明15m?EIWE可以顯著抑制H2和O2分解，對(duì)電解質(zhì)穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。這種獨(dú)特的電解質(zhì)結(jié)構(gòu)為在水系電池中建立穩(wěn)定的界面提供了新的設(shè)計(jì)思路。相關(guān)研究工作發(fā)表在Wiley出版社的《Advanced Materials》期刊上，被Materials Views China科技網(wǎng)站和微信公眾號(hào)同時(shí)進(jìn)行了報(bào)道（https://www.materialsviewschina.com/2020/09/49231/），也被材料人網(wǎng)站進(jìn)行了報(bào)道。
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圖1：EIWE基水系鋰離子電池的結(jié)構(gòu)。
圖2：SEI膜的形成機(jī)理。
? ? ? ?文獻(xiàn)鏈接：An “Ether-In-Water” Electrolyte Boosts Stable Interfacial Chemistry for Aqueous Lithium-Ion Batteries. Adv. Mater. , 2020, DOI:10.1002/adma.202004017。
在吳鋒院士的指導(dǎo)下，陳人杰教授課題組長(zhǎng)期從事離子液體、多元溶劑、功能添加劑及復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)等新型功能電解質(zhì)材料的研究，近期部分相關(guān)工作如下：
1. Angew. Chem. Int. Ed ., 2020, DOI:?10.1002/anie.201903459.?(IF="12.959," 第一作者: 賴靜寧博士)
2. J. Mater. Chem. A , 2020, DOI:?10.1039/D0TA02098B.??(IF="11.301," 第一作者: 溫子越博士)
3. ACS Appl. Mater. Interfaces , 2020, DOI:?10.1021/acsami.0c00621.?(IF="8.758," 第一作者: 閆明霞碩士)
4.? J. Power Sources , 2020, DOI:?10.1016/j.jpowsour.2020.228161. (IF="8.274," 第一作者: 溫子越博士)
5. ACS Appl. Mater. Interfaces , 2019, DOI:?10.1021/acsami.9b01417. (IF="8.758," 第一作者: 陳楠副研究員)
6.? J. Mater. Chem. A ,?2019, DOI:?10.1039/C8TA12539B. (IF="11.301," 第一作者: 陳楠副研究員)
7. Adv. Mater . 2019, DOI: 10.1002/adma.201808393. (IF="27.398," 第一作者: 黃永鑫副研究員)
8.? Adv. Funct. Mater . 2018, DOI: 10.1002/adfm.201800919. (IF="16.836," 第一作者: 王麗莉博士)
9.? Mater. Horizons ,?2016,?DOI:?10.1039/C6MH00218H. (IF="12.319," 第一作者: 屈雯潔博士)
10. 先進(jìn)電池功能電解質(zhì)材料，陳人杰著，科學(xué)出版社，2020，ISBN?978-7-03-060719-5
上述研究成果得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京高等學(xué)校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃和北京理工大學(xué)科研院創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。
附作者簡(jiǎn)介：
? ? ? 尚妍欣，1994年5月出生，現(xiàn)為北京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士研究生，導(dǎo)師為陳實(shí)教授；主要研究方向新型二次電池體系，專注于新型水系鋰離子電池電解液體系的探索和開發(fā)。在研究工作中首次提出了具有穩(wěn)定界面化學(xué)的新型Li4(TEGDME)(H2O)7水系混合電解質(zhì)，將水系電解質(zhì)電化學(xué)穩(wěn)定窗口由低于2.0V提高至4.2 V；參與國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目研究；多次參加國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議交流。
陳楠，副研究員，主要從事新能源材料領(lǐng)域的相關(guān)研究，包括固體電解質(zhì)、阻燃電解液、金屬鋰電極等新型二次電池關(guān)鍵材料的研究。作為課題負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目、北京市青年基金、中國(guó)博士后基金面上資助、中國(guó)博士后基金特別資助，作為研究骨干參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目等。迄今在 Advanced Materials，Energy & Environmental Science，Advanced Energy Materials，Chemistry of Materials，Nano Energy，Advanced Science 和 Journal of Materials Chemistry A 等國(guó)際著名期刊發(fā)表研究論文30余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利10余項(xiàng)，獲授權(quán)4項(xiàng)。
李月姣，副教授，主要從事新型電解質(zhì)材料、鋰離子高安全性正極材料的開發(fā)與應(yīng)用等方面教學(xué)和科研。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，承擔(dān)了北京理工大學(xué)校基礎(chǔ)研究基金、北京市教委共建項(xiàng)目等；作為技術(shù)骨干，參加了國(guó)家高技術(shù)863計(jì)劃“動(dòng)力電池及關(guān)鍵材料共性技術(shù)及評(píng)價(jià)體系研究”、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究973計(jì)劃“新型二次電池及相關(guān)能源材料的基礎(chǔ)研究”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源專項(xiàng)、中美國(guó)際科技合作等項(xiàng)目。以第一作者/通訊作者在行業(yè)期刊發(fā)表SCI論文30余篇，授權(quán)及申請(qǐng)專利近10項(xiàng)。
陳人杰，材料學(xué)院教授、博導(dǎo)，國(guó)家部委專業(yè)組委員、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)理事（能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料分會(huì)秘書長(zhǎng)）、中國(guó)固態(tài)離子學(xué)會(huì)理事、國(guó)際電化學(xué)能源科學(xué)院（IAOEES）理事、中國(guó)化工學(xué)會(huì)化工新材料專業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)全國(guó)電池行業(yè)專家。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件、綠色二次電池資源化再生等方面的教學(xué)和科研工作。主持承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、“863”計(jì)劃項(xiàng)目、中央在京高校重大成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目等課題。發(fā)表SCI論文200余篇（IF>10的80余篇）；申請(qǐng)發(fā)明專利82項(xiàng)，獲授權(quán)35項(xiàng)；獲批軟件著作權(quán)7項(xiàng)，學(xué)術(shù)專著2部。作為主要完成人，獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、部級(jí)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。先后入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助計(jì)劃、北京市科技新星、北京高等學(xué)校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃、中國(guó)工程前沿杰出青年學(xué)者、英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士。
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