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通过人工电子隧穿势垒调整实用锂金属电池的界面电子电导
通讯作者：陆盈盈*
单位：浙江大学
背景简介
锂金属电池（LMBs）中的原生固态电解质界面膜（SEI）抑制电子隧穿的能力较差，因此不能有效保护锂金属负极，导致SEI甚至死锂的持续生成。低电子电导率（即电子转移数(te)→0）应被视为设计SEI的关键参数之一。
根据电子隧穿理论和SEI双层模型，电子一旦从锂金属负极穿过SEI无机内层到达无机内层和有机外层界面时，电解液就会立刻受到攻击，发生分解。因此，SEI无机组分阻断电子隧穿的能力对稳定SEI起关键作用。
许多方法已成功优化SEI，包括构建人工SEI，优化电解液等，其设计原则旨在形成富无机组分的SEI，以增强SEI的保护功能，均符合电子隧穿理论。然而，无机共形人工SEI可能会影响其离子电导率和机械稳定性，并且SEI中的裂纹会降低局部电阻（增加te），影响其长循环有效性。先进电解质体系原位形成的SEI无机组分主要由离子晶体组成，其随机分布使得SEI缺乏定向调控枝晶周围电场的能力。
为解决上述困境，研究人员通过引入具有超高绝缘性和化学稳定性的人工电子隧穿势垒（AETBs）构建嵌入型SEI，以保持SEI足够低的电子电导率。
文章介绍
近日，浙江大学陆盈盈研究员课题组在国际顶级期刊Nano Letters (影响因子：11.238) 上发表题为“Tuning the Interfacial Electronic Conductivity by Artificial Electron Tunneling Barriers for Practical Lithium Metal Batteries”的研究工作。
该工作通过自转移工艺构建具有定向分布模式的纳米金刚石颗粒（NDs）嵌入型SEI。用作AETBs的NDs降低了电子渗透穿过SEI的风险，重新调整了界面电场并消除了尖端效应。因此，即使在高面容量沉积过程中，锂沉积仍能保持无枝晶形貌和致密块状微结构。
值得注意的是，使用超薄锂负极（45 μm）和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2阴极（NCM811，4.3 mA h cm-2）的全电池可以稳定地循环110次以上，这表明AETBs嵌入型SEI显著缓解实用LMBs的负极粉化和安全问题。
该文章共同第一作者为浙江大学博士研究生沈泽宇和张魏栋。
陆盈盈研究员为本文通讯作者。
要点解析
图1. AETB的保护机制。
图2. ND-SEI的表征与界面电场模拟。
图3. 锂金属沉积行为。
图4. Li/NCM811电池的电化学性能。
结论
在本文中，作者强调了基于电子隧穿理论的人工SEI设计中足够低的电子电导率的重要性，提出了AETBs的概念来限制SEI的te。NDs由于其超高的电阻率和化学稳定性被选择为完美的AETBs。AETBs嵌入型SEI通过自转移过程构建，因此AETBs的分布遵循应力响应机制（定向分布在突起处）。
AETBs的引入可以抑制电子隧穿并使界面电场均匀，从而可以控制锂沉积的生长模式（具有致密微结构的块状锂沉积），并减少枝晶形成和电极粉化的程度。更重要的是，AETBs嵌入型SEI使得Li/NCM811全电池即使在低N/P比的实际条件下也能显示出出色的循环性能。该方法为设计高度安全的实用化锂金属负极提供了新的视角。
陆盈盈
研究员，国家科技部“中青年科技创新领军人才”入选者，获2019年《麻省理工科技评论》中国区35岁以下科技创新35人、2018年香港求是基金会“求是”杰出青年学者奖、2018年“侯德榜”化工科学技术青年奖、2014年度美国康奈尔大学Austin Hooey最佳博士毕业生奖。
陆盈盈研究员已入围化工权威期刊Ind. Eng. Chem. Res.期刊2019 Class Influential Researchers、化学权威期刊Chem. Comm.期刊2018 Emerging Investigators、2016年福布斯∙中国榜30岁以下精英榜、2016年“美国化学会（ACS）”活跃审稿人、2015年福布斯∙亚洲榜30岁以下精英榜、2015年中国留学人员创新创业50人。
担任中国化工学会储能工程专委会副秘书长、中国颗粒学会青年理事会理事、Wiley旗下Nano Select期刊副主编、《过程工程学报》及Green Energy & Environment期刊编委、被多次邀请在国际能源化工相关领域大会上作学术报告。
近5年，发表SCI论文41篇（其中影响因子>10的论文为35篇），他引5300余次，H因子为34。其中以第一作者或通讯作者在Sci. Adv.（3篇）、Nat. Commun.（3篇）、Adv. Mater.（1篇）、Adv. Energy Mater.（5篇）、Angew. Chem. Int. Ed. （1篇）等期刊上发表论文31篇，4篇为ESI高被引论文。
相关成果被Nat. Mater.亮点点评，被美国Green Car Congress、国际知名学术出版社Wiley、《科学中国人》、“能源学人”等报道。申请中国专利9项、国际专利3项、第一发明人为10项，其中6项中国专利及1项国际专利已授权，授权的国际专利被美国NOHMS公司实施工业应用，已投入软包电池生产。
研究方向：
电解质材料产品工程；
锂电池等能源化工材料；
电化学还原二氧化碳；
无机有机纳米结构杂化物；
多功能离子液体
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