湖南大学|韩旭教授&鲁兵安教授 Adv. Sci.：人工SEI膜为钾-石墨负极的商业化保驾护航- 大数跨境

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湖南大学|韩旭教授&鲁兵安教授 Adv. Sci.：人工SEI膜为钾-石墨负极的商业化保驾护航

科学材料站

2021-02-15

导读：该研究采用一种简单、可商用的方法首次在商业石墨负极上设计了一种超薄、均匀、致密、稳定的人工无机SEI膜，可以用于传统碳酸酯电解液体系中。

文章信息

人工SEI膜用于超高性能K-石墨负极

第一作者：刘倩

通讯作者：韩旭*，鲁兵安*

单位：湖南大学

研究背景

石墨因其成本低、低电压平台、化学稳定性好、生态友好、安全性好等优点，已成为极具发展前景的钾离子电池负极材料之一。然而，当前最大的挑战是，石墨负极在KPF6@碳酸脂电解液中钾离子电池中的循环稳定性远低于其在锂离子电池中的循环稳定性，难以达到实际应用要求的几千圈循环寿命（相当于持续运行几年）。

众所周知，金属离子电池以钾离子电池（PIBs）为例，负极的固体电解质界面(SEI)对高活性钾离子电池的安全性和长期循环稳定性能起着决定性的作用。石墨作为钾离子电池的负极，在传统的碳酸盐电解液中循环几圈后石墨负极表面会形成一层不均匀的，间断式的SEI膜，其成分主要是碳酸盐，这种传统的SEI膜并不能有效保护负极，导致钾离子电池无法实现长期循环稳定性以及潜在的安全风险。

更重要的是传统的石墨作为钾离子电池的负极其首次库伦效率非常低，考虑到首次库伦效率（ICE）对商业可充电电池的重要意义，迫切需要提高PIBs石墨负极的首次库伦效率。

据此，湖南大学机械与运载工程学院韩旭教授团队，采用一种简单、可商用的方法在石墨负极上设计了一种超薄、均匀、致密、稳定的人工SEI膜，实现了传统碳酸酯电解液体系中钾离子电池石墨负极的稳定循环。

文章简介

近日，来自湖南大学的韩旭教授团队，在国际知名期刊Advanced science上发表题为“Artificial SEIforSuper-high Performance K-Graphite Anode”的研究论文。

该研究采用一种简单、可商用的方法首次在商业石墨负极上设计了一种超薄、均匀、致密、稳定的人工无机SEI膜，可以用于传统碳酸酯电解液体系中。

使用人工无机SEI膜的商业石墨负极展现出了超过500次循环的长循环稳定性，在100 mA g-1电流密度下，可逆容量达到260 mAh g-1，且容量保持率高达100%（这是目前为止在传统碳酸酯电解液体系中石墨负极达到的最长的循环）

首次库伦效率可高达93%（这是迄今为止关于PIBs负极所有报道中首次库伦效率最高的），同时具有人工无机SEI膜的石墨负极组装的钾离子全电池，表现出了优异的电化学性能。

图1.人工无机SEI膜制备流程，透射电镜图以及元素分布图。

图2.具有人工无机SEI膜的石墨作为钾离子电池负极的电化学性能图。

本文要点

要点一：在石墨表面原位设计无机SEI膜

通过石墨负极和钾金属同时浸润在高浓度无机电解液中时自发形成人工无机SEI膜。其形成机理为当石墨负极在高浓度无机电解液中并且持续与钾金属接触，利用钾金属和石墨之间的电位差，以及K+的扩散和KFSI的分解，可控地在石墨负极表面设计了一种无机成分的SEI膜。

众所周知，K+插入石墨层中的标准电极电位是-2.93 eV。K+插入石墨过程的机理是K+会被先吸附在石墨层中，然后再嵌入到石墨层中，最终在石墨层中形成的稳定的嵌入化合物为KC8（KC8的计算值为0.51 eV）。实验结果表明，石墨负极形成了一层超薄，均匀、致密、稳定的人工无机SEI膜。

要点二：人工无机SEI膜作为钾离子电池负极表现出优异的电化学性能

采用人工无机SEI膜的商业石墨负极展现出了优异的电化学性能，具有超过500次循环的长循环稳定性，在100 mA g-1电流密度下，可逆容量达到260 mAh g-1，且容量保持率高达100%（这是目前为止在传统碳酸酯电解液体系中石墨负极极达到的最长的循环）。更引人注目的是，设计出人工无机SEI膜的石墨作为钾离子电池的负极的首次库伦效率可高达93%（这是迄今为止关于PIBs负极所有报道中首次库伦效率最高的）。

要点三：人工无机SEI膜的石墨负极应用到全电池中表现出优异的电化学性能

此外，为了探索具有人工无机SEI膜的石墨的商业应用前景，团队应用人工无机SEI膜的石墨作为负极，苝四甲酸二酐作为正极，传统的碳酸盐作为电解液组装全电池进行测试。

结果显示，在电流密度为50 mA g-1时，具有人工无机SEI膜的石墨作为负极的全电池在50次循环后表现出很高的库伦效率以及高达61 mAh g-1的放电容量。相比之下，使用传统SEI膜的石墨作为负极的全电池表现出较低的首次库伦效率且容量迅速衰减。为钾离子电池的产业化提供了可行性。

文章链接

Artificial SEIforSuper-high Performance K-GraphiteAnode

http://dx.doi.org/ 10.1002/advs.202003639

通讯作者介绍

韩旭教授。

博士生导师,国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，973项目首席科学家，国务院学位委员会机械工程学科评议组成员，“万人计划”中青年科技创新领军人才；担任国际计算力学学会总理事会理事、中国力学学会常务理事、中国力学学会计算力学委员会副主任、中国机械工程学会常务理事、国家自然科学基金委机械学科会评专家。作为第一完成人获国家科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖等。

鲁兵安教授。

博士生导师,湖南省青年骨干教师，湖南省湖湘杰出英才，年度科技新锐人物获得者。获批国家自然科学基金优秀青年基金项目、湖南省杰青青年基金项目等。主要研究方向为新型储能材料与器件，以第一作者或通讯作者在Nature，Adv. Mater., Sci. Bull.等发表包括“中国百篇最具影响国家学术论文”在内的学术论文130余篇，被引用9000余次，Science China Technological Sciences等期刊编委。

第一作者介绍

刘倩，在硕博连读期间以第一作者（包含共同第一作者）在国际学术期刊Advanced science, ACS Energy Letters, Small, Chemical Communications, ACS Applied Materials & Interfaces,Energy technology等发表SCI高水平学术论文7篇，并独立主持一项省级科研创新项目：《可工业化的具有二次生命的低成本高安全性电池》。此外，曾获硕士研究生国家奖学金，博士研究生国家奖学金，湖南大学优秀硕士以及湖南大学优秀博士研究生学校奖学金等荣誉。主要从事储能材料与器件相关研究。致力于新型微纳材料的制备及应用，特别是碳纳米材料的制备及其电化学储能性能的研究。

课题组招聘

课题组欢迎以湖南大学申报海外优秀青年基金，长期招聘全职博士后，方向为能源存储等。

薪酬待遇如下：

学校对全职博士后实行分类资助

1. 特别资助类

“博士后创新人才支持计划”、“博士后国际交流计划”(引进项目)入选者，国家资助期内学校 30万元/年（含国家资助），学院（导师）配套支持不少于16 万/年。

2. 重点资助类

学校按20万/年标准拨付人员经费，学院（导师）配套支持不少于16 万/年。

其他支持

1.在站期间，计算工作年限。

2.博士后期间可评选副研究员。

3.学校特设 “杰出博士后奖”（每年评选一次），入选者可直接申请教师副教授岗位；入选“博士后创新人才支持计划”、 “博士后国际交流计划”（引进/派出项目）或同等竞争程度的博士后人才项目且研究成果突出者，出站后直接入选“杰出博士后”，申请留校不受本校来源比例限制。