Angew. Chem.：低界面极化助力4.5 V高压锂金属电池

作为可充电二次电池负极材料领域研究的圣杯，锂金属具有最负的电极电势（-3.04 V vs. 标准氢电极）和高理论比容量（3860 mA h^-1）。然而，在苛刻条件下锂金属负极与液体电解质的界面反应带来了安全隐患，严重阻碍了其安全利用。金属锂负极与固态电解质配合，可带来固有的安全性。目前，无论是有机聚合物固态电解质还是无机陶瓷固态电解质单独与锂负极匹配时，固固界面的接触会产生高界面电阻和大极化电压。长期以来，全固态电池的界面接触问题是阻碍固态电池实用化的瓶颈问题。

图1. 反钙钛矿固态电解质层的扫描电镜（SEM）照片

为了进一步提升界面接触，降低界面极化，可以在全固态电解质中加入少量的电解液。但是，由于缺乏液固界面能源化学现象的理解，导致采用金属锂负极的二次电池难以构筑可稳定循环的高电压电池。北京理工大学黄佳琦教授（点击查看介绍）团队提出在金属锂表面涂覆超薄固态电解质薄膜降低界面极化，并采用三电极方法测量锂电极表面电位变化，探究了不同液固界面下的锂离子输运行为差异。结果表明，引入反钙钛矿固态电解质能显著降低电极表面的过电势，抑制电极界面处的副反应。采用镍钴铝氧化物作为正极，可以在4.5 V高压金属锂电池体系中验证了该方法的有效性。

图2. 用于4.5 V高压金属锂电池的电化学性能及金属锂负极固液界面形貌变化

该团队通过烧结的方法合成出了具有反钙钛矿结构的Li₃OCl固态电解质材料，并在聚丙烯隔膜上制备厚度可控的固态电解质涂层（图1）。电池循环时加入痕量的电解液（0.8 微升/克活性物质）用来润湿电解质层及电极。三电极电化学测试结果表明，金属锂负极表面的过电势显著降低。在循环伏安测试和线性扫描伏安测试曲线中，相比于常规的电解液体系在4.4 V以下的氧化分解，固态电解质保护的界面构筑的电池体系能够在4.5 V电压范围内保持稳定。在匹配三元镍钴铝（LiNi_0.85Co_0.1Al_0.05O₂, NCA）高电压窗口（3.0-4.5 V）正极材料的金属锂全电池中，0.5 C（2小时充放额定容量）倍率下经过250次循环仍具有较高的容量保持率，电池的平均库伦效率和金属锂表面的平整度均远优于常规酯类液态体系电池（图2）。该原创性研究成果的为深入理解金属锂固液界面行为特征提供了有价值的参考，也为其它界面材料的拓展及高压电池的开发等领域提供了新的研究思路（图3）。

图3. 固液界面设计降低锂电极表面过电势的示意图

相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是北京理工大学博士研究生闫崇，通讯作者是北京理工大学黄佳琦教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

4.5 V High-Voltage Rechargeable Batteries Enabled by the Reduction of Polarization on Lithium Metal Anode

Chong Yan, Rui Xu, Jin-Lei Qin, Hong Yuan, Ye Xiao, Lei Xu, Jia-Qi Huang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201908874

研究团队简介

黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师。主要开展高比能电池界面能源化学研究。在Angew Chem Int Ed，J Am Chem Soc, Adv Mater, Adv Funct Mater, Sci Bull 等期刊发表研究工作100余篇，h因子为62，30余篇为ESI高被引论文。入选2015年首届中国科协青年人才托举计划，获评中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，中国颗粒学会青年颗粒学奖，2018年科睿唯安高被引科学家，2018年国家万人计划青年拔尖人才等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/65719

（本稿件来自Wiley）