刘丽丽副教授、吴宇平教授，AEM论文：Li4Ti5O12离子梯度调节层用于稳定的金属锂负极- 大数跨境

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刘丽丽副教授、吴宇平教授，AEM论文：Li4Ti5O12离子梯度调节层用于稳定的金属锂负极

科学材料站

2022-03-05

导读：该研究文章提出以“零应变”材料Li4Ti5O12为基础，在电极表面构筑具有离子浓度梯度的修饰层（LTO层）

文章信息

Li₄Ti₅O₁₂离子梯度调节层用于稳定金属锂负极

第一作者：熊小松

通讯作者：刘丽丽*，吴宇平*

单位：南京工业大学

研究背景

锂金属负极具有高的理论容量（3860 mAh/g）和最低的电极电势（-3.04 V vs. SHE）,被认为是最具发展前景的下一代电极材料。但是因不稳定的电极界面和枝晶生长问题，导致锂金属负极库伦效率低和循环寿命短，阻碍了其实际应用。

在负极表面构筑具有高离子电导率的稳定人造修饰层是稳定电极界面的有效方法，但在追求锂金属负极在实际情况中高电流密度(＞3.0 mA/cm²)条件循环时，由于界面离子扩散慢，锂不均匀沉积和枝晶生长问题的加剧，对电极界面稳定性提出了更高的挑战，因此通过界面设计调控界面离子扩散对锂金属负极在较高电流密度下稳定循环具有重要意义。

文章简介

基于此，来自南京工业大学的刘丽丽副教授与吴宇平教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Li₄Ti₅O₁₂ Coating on Copper Foil as Ion Redistributor Layer for Stable Lithium Metal Anode”的研究文章。

该研究文章提出以“零应变”材料Li₄Ti₅O₁₂为基础，在电极表面构筑具有离子浓度梯度的修饰层（LTO层），改善电极界面离子快速消耗引起的锂不均匀沉积问题，抑制枝晶生长，有效提升了锂金属负极在高电流密度下的循环稳定性。

本文要点

要点一：修饰层离子梯度设计

在电池循环首圈过程中，锂离子嵌入Li₄Ti₅O₁₂并形成富锂相，并在修饰层垂直方向上形成离子浓度连续变化，靠近电极界面处具有更高的离子浓度，可缓解电极界面处的浓差极化，利于锂金属负极即使在大电流密度下也是发生均匀的沉积/溶解行为，改善了循环稳定性。

1. (a)修饰层垂直方向Raman光谱；(b)LTO修饰电极离子分布模拟

要点二：锂金属负极循环

Li₄Ti₅O₁₂具有低的离子迁移能垒和高离子电导率，利于离子快速迁移，因此修饰层表现出低的界面阻抗；“零应变”特性保证了修饰层的长循环结构稳定性；修饰层垂直方向上连续变化的离子浓度分布维持了电极界面处高的离子浓度，可有效补充大电流密度下离子的快速消耗，提升锂金属负极循环性能。在5.0 mA/cm²电流密度下，半电池可稳定循环超200圈。在限制N/P容量比为3.1的条件下，正极采用磷酸铁锂的扣式全电池在1C倍率下稳定循环200圈以上，平均库伦效率99.54%。

图2. (a)Li/Cu半电池在5.0mA/cm²电流密度条件下循环性能；(b)控制N/P比为3.1的磷酸铁锂扣式全电池循环性能

LTO层的离子梯度设计，为提升锂金属负极大电流循环性能提供了新方法。

课题组链接

Li₄Ti₅O₁₂ Coating on Copper Foil as Ion Redistributor Layer for Stable Lithium Metal Anode

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103112#

通讯作者简介

吴宇平教授

东南大学二级教授、博士生导师，英国皇家化学会会士，Guo-jia Jie-chu青年基金获得者（2014），Guo-jia特聘专家（2017），阿尔伯特·纳尔逊·马奎斯终身成就奖获得者（2019）。1997 年于中科院化学所获博士学位，此后分别任职于清华大学、早稻田大学、开姆尼兹工业大学（洪堡学者）（各两年），2003 年以优秀人才引进复旦大学，2015 年调入南京工业大学，2021 年7 月调入东南大学。吴教授自1994 年起长期致力于储能体系及其关键材料的研究，取得多项原创性成果，得到了诺贝尔奖获得者、国内外院士等同行的高度评价。在国内外刊物上发表文章380 余篇（含ESI 高引用文章43 篇，H 指数89），2015年被汤森路透评选为最具影响力的科研菁英，多次入选全球高被引科学家，2021 年入选“全球前2%顶尖科学家榜单-终身科学影响力排行榜（1960-2019）”，并担任多本专业顶级期刊的主编/副主编；出版储能领域中英文著作9 本，授权中、美、日发明专利30余项，获省部级奖励2 项；培养国家级青年人才6 人。

刘丽丽副教授

南京工业大学能源学院副教授、硕士生导师。分别于2015年和2017年获得复旦大博士学位和澳大利亚伍伦贡大学博士学位，2017-2019年以“洪堡学者”身份在德国弗莱堡大学开展博士后研究。主要从事锂二次电池关键电极材料与器件的研究，以第一作者在 Energy & Environ. Mater.、Small、J. Mater. Chem. A、Chem. Commun.等期刊上发表多篇20余篇SCI论文。目前主持Guo-jia自然科学基金青年基金1项（52002171），江苏省自然科学基金青年基金1项（BK20200696），江苏省高校（自然科学）面上项目1项（20KJB430019）。