北理工在新型水系锂离子电池电解质方面取得研究进展


    近日,材料类顶级国际期刊《Advanced Materials》(《先进材料》,影响因子27.398)报道了北京理工大学材料学院陈人杰教授课题组在新型水系锂离子电池电解质方面的研究进展,相关研究成果以“An“Ether-In-Water” Electrolyte Boosts Stable Interfacial Chemistry for Aqueous Lithium-Ion Batteries”为题在线发表。尚妍欣博士为第一作者,陈楠副研究员、李月姣副教授、陈人杰教授为共同通讯作者。

  随着经济社会的飞速发展,人们对具有高效可逆能量存储的锂离子电池的需求不断增加,但商业锂电池大多数采用的是有机液体电解质,其在使用过程中存在着泄露、挥发、氧化分解及热失控等问题。应用于水系锂离子电池的电解质由于其具有离子电导率高、环境友好、成本低等优点,是当前新电池体系及关键材料研究领域中的热点。但是,水本身固有的较窄的电化学稳定性窗口(1.23 V)限制了水系电池的工作电压和能量密度。虽然SEI膜可以拓宽电解质的电化学窗口,但传统水系电池电解质的分解产物为H2和O2,无法以固态形式沉积在电极表面上。近年来,一些开创性的工作通过降低水的活性、电极表面构筑稳定SEI膜,为高浓盐水系电解质材料的设计研究提供了新的思路。

  通常,理想的水系SEI膜应具有均匀的厚度、低溶解度、较好的柔韧性以及有效分离活性物质与电解质的能力。醚类溶剂,特别是TEGDME,由于具有较高的介电常数,可以实现电解质锂盐阴阳离子对的有效分离,提高锂盐在电解液中的浓度,从而获得较高的电导率。同时,醚类溶剂形成的SEI膜具有薄、致密、结构均匀等优点,因此可以作为有效的水系电解质溶剂组分之一,提高电池的稳定性。

  陈人杰教授课题组首次提出了一种新型的“ether?in?water” electrolyte(EIWE)水系混合电解质,将电化学稳定窗口扩大到4.2 V,红外/拉曼光谱对形成的新的溶剂化结构中TEGDME/H2O/LiTFSI三组分间的相互作用进行了分析,并结合DFT和AIMD模拟,对成膜机理进行了深入研究。结果表明,当LiTFSI:TEGDME:H2O="4:1:7时,Li+2(TFSI?) 和 Li+4(TEGDME)的还原电位均高于水的析氢电位,二者会优先还原形成SEI膜,而这层膜分别是由Li+2(TFSI-)还原得到的无机物LiF和由Li+4(TEGDME)还原得到的有机含碳物质组成的双层界面。作者通过不同浓度的对比实验,验证了15m (mol/kg)的 EIWE抑制水分解和析氢反应效果最佳。TEM表征进一步研究了界面膜对电极的保护机理。在15m EIWE中,CEI膜和SEI膜均表现出了较好的均匀性和稳定性。DEMS定量分析了不同浓度电解质H2O分解产生H2和O2的量。9m EIWE在2.6V有明显的H2释放,而15m EIWE中释放的气体量可以忽略不计,表明15m EIWE可以显著抑制H2和O2分解,对电解质稳定性起到关键作用。这种独特的电解质结构为在水系电池中建立稳定的界面提供了新的设计思路。相关研究工作发表在Wiley出版社的《Advanced Materials》期刊上,被Materials Views China科技网站和微信公众号同时进行了报道(https://www.materialsviewschina.com/2020/09/49231/),也被材料人网站进行了报道。

  图1:EIWE基水系锂离子电池的结构。

  图2:SEI膜的形成机理。

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

  在吴锋院士的指导下,陈人杰教授课题组长期从事离子液体、多元溶剂、功能添加剂及复合固态电解质等新型功能电解质材料的研究,近期部分相关工作如下:

  1. Angew. Chem. Int. Ed ., 2020, DOI: 10.1002/anie.201903459. (IF="12.959," 第一作者: 赖静宁博士)

  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: 闫明霞硕士)

  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: 陈楠副研究员)

  6.  J. Mater. Chem. A , 2019, DOI: 10.1039/C8TA12539B. (IF="11.301," 第一作者: 陈楠副研究员)

  7. Adv. Mater . 2019, DOI: 10.1002/adma.201808393. (IF="27.398," 第一作者: 黄永鑫副研究员)

  8.  Adv. Funct. Mater . 2018, DOI: 10.1002/adfm.201800919. (IF="16.836," 第一作者: 王丽莉博士)

  9.  Mater. Horizons , 2016, DOI: 10.1039/C6MH00218H. (IF="12.319," 第一作者: 屈雯洁博士)

  10. 先进电池功能电解质材料,陈人杰著,科学出版社,2020,ISBN 978-7-03-060719-5

  上述研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京高等学校卓越青年科学家计划和北京理工大学科研院创新人才支持计划等项目经费的支持。

 

附作者简介:

  尚妍欣,1994年5月出生,现为北京理工大学材料科学与工程系博士研究生,导师为陈实教授;主要研究方向新型二次电池体系,专注于新型水系锂离子电池电解液体系的探索和开发。在研究工作中首次提出了具有稳定界面化学的新型Li4(TEGDME)(H2O)7水系混合电解质,将水系电解质电化学稳定窗口由低于2.0V提高至4.2 V;参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目研究;多次参加国内学术会议交流。

       陈楠,副研究员,主要从事新能源材料领域的相关研究,包括固体电解质、阻燃电解液、金属锂电极等新型二次电池关键材料的研究。作为课题负责人承担国家自然科学基金青年科学基金项目、北京市青年基金、中国博士后基金面上资助、中国博士后基金特别资助,作为研究骨干参与国家重点研发计划项目、国家973计划项目等。迄今在 Advanced Materials,Energy & Environmental Science,Advanced Energy Materials,Chemistry of Materials,Nano Energy,Advanced Science 和 Journal of Materials Chemistry A 等国际著名期刊发表研究论文30余篇,申请发明专利10余项,获授权4项。

  李月姣,副教授,主要从事新型电解质材料、锂离子高安全性正极材料的开发与应用等方面教学和科研。作为项目负责人,承担了北京理工大学校基础研究基金、北京市教委共建项目等;作为技术骨干,参加了国家高技术863计划“动力电池及关键材料共性技术及评价体系研究”、国家重点基础研究973计划“新型二次电池及相关能源材料的基础研究”、国家重点研发计划新能源专项、中美国际科技合作等项目。以第一作者/通讯作者在行业期刊发表SCI论文30余篇,授权及申请专利近10项。

  陈人杰,材料学院教授、博导,国家部委专业组委员、中国材料研究学会理事(能源转换与存储材料分会秘书长)、中国固态离子学会理事、国际电化学能源科学院(IAOEES)理事、中国化工学会化工新材料专业委员会委员、中国电池工业协会全国电池行业专家。主要从事多电子高比能二次电池新体系及关键材料、新型离子液体及功能复合电解质材料、特种电源用新型薄膜材料与结构器件、绿色二次电池资源化再生等方面的教学和科研工作。主持承担了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、“863”计划项目、中央在京高校重大成果转化项目、北京市科技计划项目等课题。发表SCI论文200余篇(IF>10的80余篇);申请发明专利82项,获授权35项;获批软件著作权7项,学术专著2部。作为主要完成人,获得国家技术发明二等奖1项、部级科学技术一等奖3项。先后入选教育部新世纪优秀人才支持计划、北京市优秀人才培养资助计划、北京市科技新星、北京高等学校卓越青年科学家计划、中国工程前沿杰出青年学者、英国皇家化学学会会士。

分享到: