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华中科技大学孙永明教授ACS Nano：复合界面设计助力实现在-40℃下深度循环锂金属电池（附招聘信息）

时间：2023-10-06 来源：浏览：

华中科技大学孙永明教授ACS Nano：复合界面设计助力实现在-40℃下深度循环锂金属电池（附招聘信息）

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【研究背景】

为确保电动汽车在高纬度、高海拔地区和寒冷冬季下稳定运行，提高低温（<-20℃）环境下电池的能量密度至关重要。传统锂离子电池使用石墨负极，其能量密度较低，在低于0°C的温度下性能和寿命显著下降，限制了低温环境中的应用。金属锂由于其超高的理论容量、极负的电化学电势和独特的电沉积/剥离机制，被认为是适用于低温高比能电池的首选负极。然而，随着温度降低，锂金属负极附近的Li+传输变得极为缓慢，导致不均匀的锂沉积行为，从而引发电池的快速失效和潜在的安全问题。为解决这些问题，当前研究主要集中在电解液配方的优化，包括引入低极化性和低熔点溶剂以提高电解液的低温离子电导率，采用氟化电解液以优化溶解结构、降低Li ⁺ 去溶剂化势垒，以及原位构建固体电解质界面层以保护金属锂表面的稳定性。然而，即使使用了这些先进电解液，目前开发的锂金属电池在低温条件下仍然难以实现高容量（> 4mAh cm ^-2 ）和长寿命（> 500 h）。

【工作介绍】

近日，华中科技大学孙永明课题组提出了一种复合聚合物-合金-氟化物（PAF）界面层，成功改善了低温条件下锂金属负极的电化学反应动力学和稳定性，实现了低温锂金属电池的高容量和长寿命。该复合界面层包含嵌入聚合二氧戊环（PDOL）基质中的大量梯度氟化固溶体合金复合纳米粒子（LiAg/LiF）。这种独特的组分和结构设计赋予了复合界面层卓越的锂亲和性和离子传输通道，使锂离子能够在电解液和锂负极界面处迅速均匀传输。此外，界面层还具有软硬结合的特性，有助于抑制锂枝晶的生长，并在低温循环中保持稳定性。通过增强锂离子迁移的界面动力学，所设计的PAF-Li阳极在-40°C的对称电池配置中稳定工作720小时，具有低电压滞后和无枝晶电极形态。当与高载量硫化聚丙烯腈（SPAN）正极搭配使用时，该电池在-20℃下达到 4.26 mAh cm ⁻² 的商业级容量商业级容量，并连续循环150次，容量保持率高达74.7% 该工作以发表在国际知名期刊 ACS Nano 上。李元建，毛尔洋，和Min Zhiwen为本文共同第一作者，孙永明教授为本文通讯作者。

【内容表述】

图一为PAF-Li电极的制备和表征。 PAF-Li电极的制备过程示意图。PAF-Li电极的（b）XRD衍射图谱，（c，d）XPS的图谱，（e）TOF-SIMS图谱，（f）红外图谱，（g,h）SEM图以及相应的EDS元素分布图。

图二为PAF-Li电极在-40℃下在对称电池的电化学行为。（a，b）Li||Li 和PAF-Li||PAF-Li 对称电池 -40℃下循环过程中的电压分布曲线；（c）Li||Li 和（d）PAF-Li||PAF-Li 对称电池在 -40℃下循环1、10以及50次后的阻抗图；（e，f）纯Li和（g, h）PAF-Li电极在 -40℃下循环50次后的表面SEM图。

图三为PAF 复合界面层在快速低温反应动力学方面的优势分析：（a）PAF-Li电池循环50次后的TOF-SIMS图谱；（b，c）纯锂和PAF-Li电极在循环50次后的XPS分析；（d）Li在LiF，Li ₂ CO ₃ , LiAg,和 PDOL中的扩散势垒；（e）LiF，Li ₂ CO ₃ , LiAg,和 PDOL对Li的吸附能；（f，g）COMSOL模拟在pristine Li和PAF-Li电极表面的Li ⁺ 分布情况。

图四为PAF-Li在-40℃下的工作的示意图。（a）纯锂电极。电解液分解形成的富含Li ₂ CO ₃ 的SEI覆盖在电极表面, 使得界面锂离子传输动力学缓慢，导致锂枝晶和死锂的形成。(b) PAF-Li电极。PAF 复合界面层中的 PDOL、Li-Ag 固溶体合金和 LiF的协同作用，使金属锂负极具有快速、均匀的锂离子传输能力，以及在 -40 °C 下无枝晶锂的沉积/溶解行为。

图5为PAF-Li在高载量锂硫全电池中的电化学性能。 (a−d) SPAN||Li和SAPN||PAF-Li电池的循环性能以及对应的充放电曲线。(e) SPAN||PAF-Li电池和文献中报道的低温锂金属全电池的性能比较。

【结论】

综上所述，为解决锂金属电池在低温下界面离子传输动力学缓慢的问题，研究人员成功开发了一种聚合物-合金-氟化物复合界面层，用以修饰锂金属负极。这个界面层具备独特的结构和组分设计，不仅有效降低了Li+在电极-电解质界面的去溶剂化能垒和在电极表面扩散的能量障碍，从而加速锂沉积的反应动力学，还能够抑制锂枝晶的生长，并在长期循环中保持电极和界面结构的稳定性。这种可促进离子传输动力学的复合界面层设计为在低温条件下开发高容量、长寿命的锂金属电池提供了新的发展思路。

Yuanjian Li, Eryang Mao, Zhiwen Min, Zhao Cai, Zihe Chen, Lin Fu, Xiangrui Duan, Lingyue Wang, Chang Zhang, Ziheng Lu, Wei Liu, Zhi Wei Seh, and Yongming Sun*. Hybrid Polymer-Alloy-Fluoride Interphase Enabling Fast Ion Transport Kinetics for Low-Temperature Lithium Metal Batteries. ACS Nano, 2023

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08576

孙永明课题组金属锂相关论文

1. ( 机械辊压法制备Li/Li ₂₂ Sn ₅ 箔材电极实现锂金属电池超高倍率充放电 )

Mechanical Rolling Formation of Interpenetrated Lithium Metal/Lithium Tin Alloy Foil for Ultrahigh-Rate Battery Anode, Nature Communication, 2020, https://www.nature.com/articles/s41467-020-14550-3

2. ( 200°C以上超熔点高温稳定锂金属负极）

A Lithium Metal Anode Surviving Battery Cycling Above 200 °C, Advanced Materials, 2020, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202000952

3. ( “Salt-in-Metal”负极：稳定固态电解质界面，延长电池循环寿命）

A Salt-in-Metal Anode: Stabilizing the Solid Electrolyte Interphase to Enable Prolonged Battery Cycling, Advanced Functional Materials, 2021, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202010602

4. (锂合金负极应力调控设计助力锂离子电池稳定循环)

Stress-Regulation Design of Lithium Alloy Electrode towards Stable Battery Cycling, Energy & Environmental Materials, 2021, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12267

5. ( 高温涂布法构建超薄Li/Li-Sn复合锂负极 )

Doctor-Blade Casting Fabrication of Ultrathin Li Metal Electrode for Hig-Energy-Density Batteries. Adv. Energy Mater., 2021,

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202102259

6. ( 界面氟化物微区重构助力实现稳定锂金属电池负极）

Locking active Li metal through localizing redistribution of fluoride for Li metal batteries. Advanced Materials, 2022.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202207310

7. ( 安时级金属锂叠片软包电池中不均匀电化学反应起源和抑制研究）

Revealing the Intrinsic Uneven Electrochemical Reactions of Li Metal Anode in Ah-Level Laminated Pouch Cells. Advanced Functional Materials, 2022, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210669

8. ( 锂合金界面实现无锂负极高电化学-机械稳定性 )

Li plating on alloy with superior electro-mechanical stability for high energy density anode-free batteries. Energy Storage Materials, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.04.009

9. ( 锂固溶体负极表面合金化元素动态富集机制 )

Dynamic Concentration of Alloying Element on Anode Surface Enabling Cycle-Stable Li Metal Batteries. Advanced Functional Materials, 2023,

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202307281

通讯作者介绍

孙永明，博士，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授、博士生导师，入选国家高层次青年人才项目，《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（35 Innovators Under 35）中国区榜单。孙永明教授长期从事新型储能材料与技术（锂离子电池、锂金属电池、锌金属电池等）等方向的科学研究。孙永明教授在新型储能材料与技术相关领域取得了一系列突出成果，在Science, Nature Energy, Nature Nanotechnology等知名国际期刊发表论文100余篇。其中发表通讯作者或第一作者论文40+篇，包括Nature Energy （2）、Nature Communications（2）、Science Bulletin (1)、 Journal of the American Chemical Society（1）、Angewandte Chemie (1) 、Advanced Materials （5）、Advanced Energy Materials (3)、Advanced Functional Materials (5) 、Energy & Environmental Science（1）、Joule（1）、Chem（1）、ACS Nano (2) 等。此外，获得授权国内外专利10余项目。据google scholar, 所发论文引用超过20000次，H因子为61。课题组主页 http://futurebattery.wnlo.hust.edu.cn/index.htm

课题组招聘

华中科技大学孙永明教授课题组诚聘海内外知名高校材料、化学、能源、物理等相关背景的博士后。课题组致力于通过多学科交叉的研究为下一代储能电池的发展提供新的可能和机遇。根据承担的科研任务及实验室发展需要，诚聘2-3名优秀博士后。

招聘要求 1、已经获得或者将于近期获得博士学历，具有较强材料、化学、物理或能源专业基础和理论功底的博士，具有以下研究工作经历之一者优先：（1）储能电池材料和器件研究经历；（2）无机合成、有机合成等研究经历；（3）具有电池材料理论模拟研究经历。

2、具有独立撰写英文论文的能力，独立撰写并以第一作者身份在相关学科领域权威杂志上发表一区SCI论文1篇（中科院分区）及以上；

3、对研究领域具有创新性构想和战略性思维，具有旺盛的工作热情；

4、为人正直诚恳，具有良好的团队意识和合作精神。

博士后待遇及福利

1、提供优越的科研平台。武汉光电国家研究中心为科技部首批六个国家研究中心之一，作为适应大科学时代基础研究特点而组建的学科交叉型国家科技创新基地，其面向世界科技前沿、面向国家重大需求，是国家科技创新体系的重要组成部分；

2、博士后聘用期限一般为2至3年，年薪25万+（面议）；

3、博士后研究人员聘期内，参照华中科技大学正式职工，享受同岗位教师子女入学、入托，医疗保险以及其他福利待遇；

4、博士后研究人员聘期内，学校提供博士后公寓租住，对未能入住者，给予1000元/月的租房补助；

5、课题组将为博士后提供良好的科研条件和职业发展平台，鼓励并全力支持博士后申报各类项目，具体面议。