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千嬴千嬴国际手机版:千嬴千嬴国际手机版黄佳琦教授课题组在金属锂电池安全改善方面取得研究进展

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近日,千嬴千嬴国际手机版黄佳琦教授课题组在金属锂电池安全改善方面取得重要研究进展,相关成果以“Thermally Stable Polymer-Rich Solid Electrolyte Interphase for Safe Lithium Metal Pouch Cells”为题发表在化学类顶级国际期刊《Angewandte Chemie International Edition》(《德国应用化学》,影响因子16.823)。本文的通讯作者为千嬴千嬴国际手机版黄佳琦教授,清华大学张强教授,东南大学程新兵教授,第一作者为千嬴千嬴国际手机版/材料学院硕士研究生杨世杰。

21世纪以来,锂离子电池极大地改善了人类的生产生活。但现有锂离子电池较低的能量密度和安全性能阻碍了锂电池的进一步发展。使用金属锂作为负极的金属锂电池可以大幅提升电池的理论能量密度,但同时会剧烈降低电池的安全性能,因为不可避免的金属锂枝晶会与电解液在高温下发生剧烈的放热反应。为了更好地推进金属锂电池的商业化使用,必须优先提升其安全性能。

尽管金属锂电池的安全问题十分严峻,仍然缺少足够有效的方法在不影响其电化学性能的前提下提高其安全性。在前期工作基础上,清华大学张强教授、东南大学程新兵教授、千嬴千嬴国际手机版黄佳琦教授通过电解液溶剂的分子设计,在金属锂表面上高效地引入了富聚合物界面层,其较高的氟含量极大地提高了电解液与金属锂的热稳定性,成功地将金属锂软包电池热失控温度提升到了338℃(图1)。

1. MFA电解液对金属锂电池安全性的改善示意图。

设计的二氟乙酸甲酯(MFA)可以在金属锂负极表面发生Claison酯缩合反应,其特殊的–CHF2基团带来的亲核位点使其可以极快地形成富聚合物层,并且聚合物的高氟含量可以为界面层提供较好的热稳定性(图2)。

2. MFA的聚合机理与分子特性。

在使用MFA作为电解液溶剂后,所构筑的高热稳定性聚合物界面层可以极大地抑制金属锂与电解液后续的副反应,实现在390℃之前金属锂负极与电解液不会发生明显的放热。并在大容量(1 Ah)软包电池中进行了实用效果验证,高达338℃的“点燃”温度为电池的安全运行提供了极大的保障(图3)。


3. MFA电解液对金属锂电池安全性的改善。

此外,原位形成的富聚合物的界面层因其高氟含量和柔韧性也赋予了金属锂软包电池优异的电化学性能,内刚外柔的界面层有效地抑制了锂枝晶的生成,将其循环寿命提升了四倍以上。


4. MFA电解液在金属锂电池中的电化学性能。

总之,优异的电解质分子设计成功地在金属锂电池中引入了新的表面聚合机理,其亲核位点的设计促进了电解质的聚合,而高氟取代提高了界面的热稳定性。更热稳定的电解质—金属锂界面显著地提高了电池热安全的临界温度,为安全操作和及时预警提供了更大的空间。此外,极高的电池“燃烧”温度(338.0℃)也证明了有效的界面控制可以成功降低锂金属负极的安全风险,通过界面聚合来提升安全性的设计思路也可以有效地应用于其他储能系统中。

作者简介:

黄佳琦,千嬴千嬴国际手机版教授,博士生导师,九三学社社员。主要开展能源界面化学研究。发表SCI论文200余篇,其中70余篇为ESI高被引论文,h因子97。担任中国颗粒学会理事,中国化学会能源化学专委会委员等,任J. Energy Chem.、Chin. Chem. Lett.、InfoMat编委,Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年编委。曾获评2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖,2018年中国颗粒学会青年颗粒学奖,2018年国家万人计划青年拔尖人才,2020年北京市杰出青年科学基金等;2022年中国颗粒学会自然科学一等奖,第十七届中国青年科技奖特别奖,2018–2022年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。

论文详情:

Shi-Jie Yang, Nan Yao, Feng-Ni Jiang, Jin Xie, Shu-Yu Sun, Xiang Chen, Hong Yuan, Xin-Bing Cheng,* Jia-Qi Huang,* Qiang Zhang*. Thermally Stable Polymer-Rich Solid Electrolyte Interphase for Safe Lithium Metal Pouch Cells, Angew Chem Int Ed, 2022, e202214545.

链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202214545

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