北理工在新型水系鋰離子電池電解質方面取得研究進展


    近日,材料類頂級國際期刊《Advanced Materials》(《先進材料》,影響因子27.398)報道了北京理工大學材料學院陳人傑教授課題組在新型水系鋰離子電池電解質方面的研究進展,相關研究成果以“An“Ether-In-Water” Electrolyte Boosts Stable Interfacial Chemistry for Aqueous Lithium-Ion Batteries”為題在線發表。尚妍欣博士為第一作者,陳楠副研究員、李月姣副教授、陳人傑教授為共同通訊作者。

  隨着經濟社會的飛速發展,人們對具有高效可逆能量存儲的鋰離子電池的需求不斷增加,但商業鋰電池大多數採用的是有機液體電解質,其在使用過程中存在着泄露、揮發、氧化分解及熱失控等問題。應用於水系鋰離子電池的電解質由於其具有離子電導率高、環境友好、成本低等優點,是當前新電池體系及關鍵材料研究領域中的熱點。但是,水本身固有的較窄的電化學穩定性窗口(1.23 V)限制了水系電池的工作電壓和能量密度。雖然SEI膜可以拓寬電解質的電化學窗口,但傳統水系電池電解質的分解產物為H2和O2,無法以固態形式沉積在電極表面上。近年來,一些開創性的工作通過降低水的活性、電極表面構築穩定SEI膜,為高濃鹽水系電解質材料的設計研究提供了新的思路。

  通常,理想的水系SEI膜應具有均勻的厚度、低溶解度、較好的柔韌性以及有效分離活性物質與電解質的能力。醚類溶劑,特別是TEGDME,由於具有較高的介電常數,可以實現電解質鋰鹽陰陽離子對的有效分離,提高鋰鹽在電解液中的濃度,從而獲得較高的電導率。同時,醚類溶劑形成的SEI膜具有薄、緻密、結構均勻等優點,因此可以作為有效的水系電解質溶劑組分之一,提高電池的穩定性。

  陳人傑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,將電化學穩定窗口擴大到4.2 V,紅外/拉曼光譜對形成的新的溶劑化結構中TEGDME/H2O/LiTFSI三組分間的相互作用進行了分析,並結合DFT和AIMD模擬,對成膜機理進行了深入研究。結果表明,當LiTFSI:TEGDME:H2O="4:1:7時,Li+2(TFSI) 和 Li+4(TEGDME)的還原電位均高於水的析氫電位,二者會優先還原形成SEI膜,而這層膜分別是由Li+2(TFSI-)還原得到的無機物LiF和由Li+4(TEGDME)還原得到的有機含碳物質組成的雙層界面。作者通過不同濃度的對比實驗,驗證了15m (mol/kg)的 EIWE抑制水分解和析氫反應效果最佳。TEM表徵進一步研究了界面膜對電極的保護機理。在15m EIWE中,CEI膜和SEI膜均表現出了較好的均勻性和穩定性。DEMS定量分析了不同濃度電解質H2O分解產生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,表明15m EIWE可以顯著抑制H2和O2分解,對電解質穩定性起到關鍵作用。這種獨特的電解質結構為在水系電池中建立穩定的界面提供了新的設計思路。相關研究工作發表在Wiley出版社的《Advanced Materials》期刊上,被Materials Views China科技網站和微信公眾號同時進行了報道(//www.materialsviewschina.com/2020/09/49231/),也被材料人網站進行了報道。

  圖1:EIWE基水系鋰離子電池的結構。

  圖2:SEI膜的形成機理。

  文獻鏈接:An “Ether-In-Water” Electrolyte Boosts Stable Interfacial Chemistry for Aqueous Lithium-Ion Batteries. Adv. Mater. , 2020, DOI:10.1002/adma.202004017。

  在吳鋒院士的指導下,陳人傑教授課題組長期從事離子液體、多元溶劑、功能添加劑及複合固態電解質等新型功能電解質材料的研究,近期部分相關工作如下:

  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: 温子越博士)

  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: 温子越博士)

  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. 先進電池功能電解質材料,陳人傑著,科學出版社,2020,ISBN 978-7-03-060719-5

  上述研究成果得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京高等學校卓越青年科學家計劃和北京理工大學科研院創新人才支持計劃等項目經費的支持。

 

附作者簡介:

  尚妍欣,1994年5月出生,現為北京理工大學材料科學與工程系博士研究生,導師為陳實教授;主要研究方向新型二次電池體系,專注於新型水系鋰離子電池電解液體系的探索和開發。在研究工作中首次提出了具有穩定界面化學的新型Li4(TEGDME)(H2O)7水系混合電解質,將水系電解質電化學穩定窗口由低於2.0V提高至4.2 V;參與國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目研究;多次參加國內學術會議交流。

       陳楠,副研究員,主要從事新能源材料領域的相關研究,包括固體電解質、阻燃電解液、金屬鋰電極等新型二次電池關鍵材料的研究。作為課題負責人承擔國家自然科學基金青年科學基金項目、北京市青年基金、中國博士後基金面上資助、中國博士後基金特別資助,作為研究骨幹參與國家重點研發計劃項目、國家973計劃項目等。迄今在 Advanced Materials,Energy & Environmental Science,Advanced Energy Materials,Chemistry of Materials,Nano Energy,Advanced Science 和 Journal of Materials Chemistry A 等國際著名期刊發表研究論文30餘篇,申請發明專利10餘項,獲授權4項。

  李月姣,副教授,主要從事新型電解質材料、鋰離子高安全性正極材料的開發與應用等方面教學和科研。作為項目負責人,承擔了北京理工大學校基礎研究基金、北京市教委共建項目等;作為技術骨幹,參加了國家高技術863計劃“動力電池及關鍵材料共性技術及評價體系研究”、國家重點基礎研究973計劃“新型二次電池及相關能源材料的基礎研究”、國家重點研發計劃新能源專項、中美國際科技合作等項目。以第一作者/通訊作者在行業期刊發表SCI論文30餘篇,授權及申請專利近10項。

  陳人傑,材料學院教授、博導,國家部委專業組委員、中國材料研究學會理事(能源轉換與存儲材料分會祕書長)、中國固態離子學會理事、國際電化學能源科學院(IAOEES)理事、中國化工學會化工新材料專業委員會委員、中國電池工業協會全國電池行業專家。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關鍵材料、新型離子液體及功能複合電解質材料、特種電源用新型薄膜材料與結構器件、綠色二次電池資源化再生等方面的教學和科研工作。主持承擔了國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目、“863”計劃項目、中央在京高校重大成果轉化項目、北京市科技計劃項目等課題。發表SCI論文200餘篇(IF>10的80餘篇);申請發明專利82項,獲授權35項;獲批軟件著作權7項,學術專著2部。作為主要完成人,獲得國家技術發明二等獎1項、部級科學技術一等獎3項。先後入選教育部新世紀優秀人才支持計劃、北京市優秀人才培養資助計劃、北京市科技新星、北京高等學校卓越青年科學家計劃、中國工程前沿傑出青年學者、英國皇家化學學會會士。

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