罗加严教授课题组AFM：充电电池中多价金属负极的挑战与机遇- 大数跨境

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罗加严教授课题组AFM：充电电池中多价金属负极的挑战与机遇

科学材料站

2020-09-12

导读：本文详细讨论了多价金属负极的基本机理和关键问题，包括可逆阳极电镀/剥离用电解质、臭名昭著的表面钝化、枝晶形成和负极腐蚀。总结了解决这些问题的策略。

文章信息

第一作者：Xinyue Zhang

通讯作者：罗加严*、刘兴江*

单位：天津大学

研究背景

储能装置是电动汽车和可持续能源设施的关键部件。其中，锂离子电池（LiB）因其能量密度高、寿命长、应用广泛而成为最具发展前景的电池类型。作为锂离子电池的经典负极材料，石墨占全球负极市场的80%以上。

然而，LIBs中石墨的放电平台太低，以至于接近锂的电镀电位（约为0.1V vs Li+/Li），这可能导致安全风险。虽然已经开发了许多其他负极材料，但它们仍然存在各种缺陷，缺乏因此，在实际应用中，设计具有优良整体性能的新型负极材料结构是非常重要的。

文章简介

近日，天津大学大学罗加严教授、刘兴江研究员等人在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Challenges and Opportunities for Multivalent Metal Anodes in Rechargeable Batteries”的研究工作。

本文详细讨论了多价金属负极的基本机理和关键问题，包括可逆阳极电镀/剥离用电解质、臭名昭著的表面钝化、枝晶形成和负极腐蚀。总结了解决这些问题的策略。

本文还对未来的研究方向进行了展望。预计该综述将为新出现的多价金属负极提供一个有希望的机会，并为下一代高能密度金属电池铺平道路。

该文章第一作者为Xinyue Zhang，天津大学大学尉罗加严教授、刘兴江研究员为本文通讯作者。

本文要点

要点一：LIB的钛基负极的状态。

图1.

a）比较钛基负极的平均工作电位与比容量。提出了两组负极：工作电位> 1 V的那些（TiO2，TiNb2O7，Li4Ti5O12，Li2TinO2n + 1（n = 3,6）和MLi2Ti6O14（M = Sr，Ba，2Na））和那些电位<1 V （Li2MTi3O6（M = Mg，Zn）和LTSO）。b）比较两个商用负极（石墨，Li4Ti5O12）和LTSO的充放电曲线。c）LTSO的XRD图谱及其晶体结构模型（插图）。

要点二：镁金属负极。

图2.

a）以Mg金属为参比电极和对电极（RE和CE）的各种电解质溶液中Pt工作电极（WE）的循环伏安图。经许可转载。b）在含MgCl2的Mg（TFSI）2 / DME电解质溶液中进行可逆的Mg镀/剥离。c）对称Mg电池在0.01 mA cm-2的电流密度下的静电流循环性能，其中裸露的Mg负极和经过Mg2 +导电相间修饰的Mg负极在PC电解质中。d）用锡基人造层改性的镁金属负极的形成过程示意图。e）用钛络合物Ti（TFSI）2Cl2预处理镁负极的示意图。f）用超小型镁纳米颗粒（N-Mg）和块状镁（B-Mg）制成的镁金属负极的XRD图谱。

要点三：钙金属负极

图3.

a）在100°C下含有0.3 m Ca（ClO4）2，Ca（BF4）2和Ca（TFSI）2盐的EC：PC混合电解质的循环伏安图。b）同步加速器XRD（红色）在含Ca（BF4）2的电解质中在75°C下于200℃下生长在Cu衬底上的沉积层的XRD（红色）细化。c）使用三电极电池，以Au为工作电极（WE），以Ca为参比电极（RE），以Pt为对电极（CE），在Ca（BH4）2 / THF电解质中进行的电镀和剥离Ca的循环伏安法），分别。d）在钙沉积层上形成的主要产物的粉末XRD。e）使用三电极设置分别使用Pt作为WE，Ca作为Re和CE的三电极设置，对CaBhfip / DME电解质中的Ca镀层/剥离的循环伏安法。（f）CaBhfip / DME电解质中Ca对称电池在不同电流密度下的恒电流循环性能。

结论

作为后锂离子电池，基于多种多价金属负极（包括Zn，Mg，Ca和Al）的可充电电池由于其高丰度，低成本和安全保障等关键优点，近年来已迫在眉睫。这为实现高能量密度方面的突破并超越当前最先进的锂离子电池提供了广阔的机遇。但是，仍然存在重大挑战，例如缺少相关的电解质，臭名昭著的表面钝化，不可避免的负极腐蚀以及枝晶形成，这些挑战仍然无法解决。

在这篇综述中，系统地讨论了各种多价金属负极的基本镀层/剥离机理和当前状态发展。还明确展示了开发实用的可靠多价金属负极的机遇和挑战。。

文章链接

Challenges and Opportunities for Multivalent Metal Anodes in Rechargeable Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004187

通讯作者介绍

罗加严，天津大学化工学院教授、博士生导师。

本科、硕士毕业于复旦大学化学系；2013年于美国西北大学材料系获得博士学位；之后在麻省理工学院材料系从事博士后研究工作；2014年回国至今在天津大学开展科研工作。主要从事轻质金属能源材料的研究，在基于轻质金属负极的高比能储能体系等方面取得系统研究成果。提出高阶维度机械拟制和动态力学耦合消除锂枝晶生长的学术思想和混合离子电子导体骨架的设计理念，并提出在多价金属负极表面构建差异化离子电子导体界面消除钝化层的策略。

曾获国际电化学会应用电化学奖、美国电化学会青年研究员奖、 Energy Storage Materials青年科学家奖、侯德榜化工科技青年奖、中国表面工程协会中表镀-安美特青年教师奖、天津市技术发明一等奖、Carbon优秀博士论文奖、美国材料学会博士生金奖等奖励。先后获得2013年国家青年人才计划、天津市首批杰出青年基金等项目支持。

刘兴江，博士学历，研究员

现任中国电子科技集团公司首席科学家、第十八研究所副总工。国务院特贴专家，兼任科技委电子领域专家委员会成员，科技委首席科学家，电能源专业组成员，能源与动力领域专家，电子学会理事，天津大学外聘博导等职。

专业：电能源，电子材料化学

1982-1989年,北京科技大学，学士、硕士；

1989-1993年，北京科技大学，讲师；

1993-2004年，早稻田大学、JAXA、GS-Yuasa,留学工作，1997年在早稻田大学取得博士学位；

2004年-今，中国电科18所，从事各种材料、化学电池、电化学电容器、薄膜太阳电池等研究，主持承担探索、973和863等多项国家重大基础研究、技术研究、产品开发及工程化工作20余项。

发表著作3部，论文100余篇，发明专利60余项；省部级科技进步奖二等奖2项，三等奖2项，国务院特贴专家，天津市优秀留学人才称号和优秀科技工作者称号等。