孙春文教授，CEJ：含有Cs掺杂氟磷灰石界面层的固体复合电解质，可实现固态锂电池的无枝晶阳极- 大数跨境

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孙春文教授，CEJ：含有Cs掺杂氟磷灰石界面层的固体复合电解质，可实现固态锂电池的无枝晶阳极

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2024-07-30

导读：孙春文教授，Chemical Engineering Journal：含有Cs掺杂氟磷灰石界面层的固体复合电解质，可实现固态锂电池的无枝晶阳极

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文章信息

含有Cs掺杂FA界面层的固体复合电解质，可实现固态锂电池的无枝晶阳极

第一作者：毛月震

通讯作者：孙春文*

单位：中国矿业大学（北京）

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研究背景

虽然以锂金属作为负极的固态锂金属电池（LMBs）具有高能量密度，但是锂金属阳极仍然面临着巨大的挑战，尤其是由于锂分布不均和浓差极化增加所诱发的锂枝晶生长问题。这些高活性的锂枝晶可能会耗尽电解质或导致断裂，从而产生 "死锂"，严重影响库仑效率（CE）和电池的实际应用。为此，人们对锂金属阳极和电解质进行了大量研究，旨在克服上述挑战，促进固态锂金属电池的应用，其中在固体电解质和锂金属之间添加界面层可以改善锂金属和电解质之间的界面，促进Li⁺的均匀沉积，抑制锂枝晶的生长，提高电化学性能。

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文章简介

近日，来自中国矿业大学（北京）的孙春文教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Solid composite electrolyte with a Cs doped fluorapatite-interfacial layer enabling dendrite-free anodes for solid-state lithium batteries”的研究性文章。该文章提出为了调节固态锂电池中锂金属负极和复合电解质的界面，通过引入Cs掺杂氟磷灰石（FA）界面层来抑制锂枝晶的生长。一方面，Cs本身具有的静电屏蔽自愈合特性可以降低锂离子的成核电位，并促进锂离子的均匀沉积；另一方面，Cs还可以降低LiTFSI的结合能，促进游离的锂离子增加。因此，Cs掺杂FA界面层有利于形成均匀致密的固体电解质界面（SEI），促进Li⁺的均匀沉积，从而使得金属锂表面更加稳定，从而延长了LMBs的电池寿命。

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本文要点

要点一：物理性质

首先，研究了Cs掺杂FA的物理特性，其具有棒状结构，促进形成连续的填料/聚合物界面和有利的离子传输通道，可以确保界面的稳定性，同时最大限度地减少聚合物结晶度，提高电解质的机械强度。其次，Cs掺杂FA界面层有利于提高电池的阻燃性，可抵御高温火焰10秒钟且不着火，仅出现收缩过程。

要点二：Cs掺杂FA界面层对复合电解质的影响

通过研究含有不同Cs掺杂FA的复合电解质，发现10wt% Cs掺杂FA可以使电解质表现出最高的电导率（5.43×10^-4 S cm^-1）和高的锂离子迁移数（0.716）。密度泛函理论（DFT）计算证实了Cs⁺离子与LiTFSI之间的配位关系，从而降低了LiTFSI与Cs⁺的结合能，增加了游离Li⁺的数量。Arrhenius曲线表明Cs掺杂FA界面层的引入有效降低了电解质的活化能。

要点三：锂金属沉积/剥离行为研究

成核过电位和Tafel曲线表明Cs掺杂FA界面层的引入降低了局部电流密度，使锂离子很容易迁移到锂金属阳极表面，进而加快了Li⁺在锂金属阳极和电解质之间的界面上的动力学过程。同时锂对称电池也表明Cs掺杂FA界面层的引入可以提高锂金属阳极和电解质之间的稳定性。

要点四：界面分析

为了进一步探索Cs掺杂FA界面层对锂枝晶生长和SEI组分的影响，利用扫面电镜证明了界面层可以诱导锂离子均匀沉积。并且XPS结果也表明该界面层可以在锂金属和电解质界面之间形成以LiF为主的多种SEI组分，这对于锂金属的均匀沉积起到了重要的作用。

要点五全电池的电化学性能

通过与不同的阴极材料（LFP/NCM811）匹配，进一步评估了含有Cs掺杂FA界面层的复合电解质的电化学性能，研究多组分的SEI层对界面稳定性的影响。与原始的CSE相比，使用含有Cs掺杂FA界面层的复合电解质组装的全电池具有更稳定的长循环性能，倍率性能更高。

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文章链接

Solid composite electrolyte with a Cs doped fluorapatite-interfacial layer enabling dendrite-free anodes for solid-state lithium batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153823

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通讯作者简介

孙春文，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院教授，博士生导师，中国-西班牙能源材料联合实验室主任，储能材料与器件实验室负责人。2006年毕业于中国科学院物理研究所，获理学博士学位。毕业后先后在德国慕尼黑工业大学物理系、加拿大国家研究院燃料电池创新研究所、美国德州大学奥斯汀分校材料研究所任博士后和助理研究员；2011年入选中科院物理所引进国外杰出人才计划，回到中科院物理研究所清洁能源重点实验室任副研究员；2015年被中国科学院大学北京纳米能源与系统研究所引进，任研究员、博士生导师、课题组组长、所学术委员会委员；2021年3月以高层次人才被中国矿业大学（北京）引进到化学与环境工程学院工作。

近年来，研究工作主要集中在纳米结构材料的合成、表征及其在能量转换与存储器件中的应用（锂/钠离子电池，全固态电池，金属空气电池，燃料电池）。已在JACS, Energy & Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等国际重要学术期刊上发表论文180篇，他引用超过17300次（Google Scholar），17篇ESI高被引和热点论文，39篇论文他引超过100次，单篇最高引用1537次；申请24项中国发明专利，19项已获授权。应邀编写英文专著2本，6章节，中文专著2章节。目前担任中国硅酸盐学会固态离子学分会理事，中国能源研究会燃料电池专业委员会委员，中国仪表功能材料学会储能与动力电池及其材料专业委员会委员, 国际期刊Journal of Physics: Condensed Matter (JPCM), Scientific Reports，Batteries, Current Nanoscience, Frontiers in Energy Storage编委，应邀为90多个重要国际学术期刊的审稿人，在重要国际会议上做邀请报告40余次。

作为负责人，目前主持在研国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项项目1项，承担企业委托横向课题2项，国家实验室开放基金2项；主持并已结题国家重点基础研究发展计划（973）项目1项和国家自然科学基金面上项目3项，结题国家重点研发计划项目1项。所获奖项和荣誉：2011年中科院物理所引进国外杰出人才计划入选者， 2014年英国皇家化学会（RSC）Top 1%高被引作者，2017年获得国际先进材料协会（IAAM）科学家奖（瑞典），连续六年入选爱思唯尔 (Elsevier) 材料科学领域（2018，2019）和化学领域（2020~2023）中国高被引学者，2020年获中国物理学会年度最有影响论文奖，2021-2022年Wiley高被引作者，2022年北京市普通高校优秀本科生毕业论文优秀指导教师，2023年全国石油和化工教育优秀教学团队，连续多年入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家职业生涯影响力榜单和全球前2%顶尖科学家年度影响力榜单。