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【顶刊综述】黄维院士/艾伟教授团队AM综述：高能锂硒电池研究进展与未来挑战

科学材料站

2021-02-01

导读：本文回顾了锂硒电池的发展历程，从正极、阻隔层、固态电解质等方面详细总结了相关研究进展，并对锂硒电池的进一步研究提出了见解和展望。

文章信息

高能锂硒电池研究进展与未来挑战

第一作者：孙晋蒙，杜祝祝

通讯作者：艾伟*，杜洪方*，黄维*

单位：西北工业大学，南京工业大学，南京邮电大学

研究背景

随着科学技术的进步，锂离子电池较低的能量密度已无法满足不断变革的生产生活需求。在此背景下，具有更高理论能量密度的锂-氧族元素电池被认为是最有潜力替代传统锂离子电池的储能技术，并在近年来受到了广泛关注。其中，锂硒电池因其较高的体积能量密度而展现出广阔的应用前景。

虽然锂硒电池的相关研究起步较晚，但呈逐年增长之势。目前已成为新型储能技术领域的研究热点之一，在机理研究、材料制备、性能提升等方面均取得了阶段性进展。

文章简介

近日，来自西北工业大学的黄维院士与艾伟教授团队，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“State-Of-The-Art and Future Challenges in High Energy Lithium–Selenium Batteries”的综述文章

本文回顾了锂硒电池的发展历程，从正极、阻隔层、固态电解质等方面详细总结了相关研究进展，并对锂硒电池的进一步研究提出了见解和展望。

图1 锂硒电池研究进展

本文要点

要点一：锂硒电池充放电机理

锂硒电池在醚类和酯类电解质中有着不同的充放电机理。

其中，在醚类电解液中发生有可溶性中间产物的多步反应，与锂硫电池过程极为相似，故而面临穿梭效应和锂负极腐蚀等问题；而在酯类电解液中，锂硒电池的充放电则是一步转化，虽无穿梭效应等问题，但硒阴离子易与电解液发生副反应，造成容量持续损失。

该综述文章围绕锂硒电池的充放电机理，从正极材料设计、阻隔层构筑、及固态电解质等方面进行了系统的总结和归纳。同时，文章进一步分析了材料结构与电池性能的构效关系，明晰了锂硒电池不同组件的设计思路。

要点二：正极材料设计

针对锂硒电池在不同电解液中存在的问题，相关研究在正极材料方面取得了诸多进展。

文章从纯硒正极的形貌工程、表面包覆结构、硒/碳复合材料、硒/金属化合物、硒化聚丙烯腈、硫硒双元体系、以及硒化锂等方面对锂硒电池正极材料研究进行了全面综述。

其中，围绕硫和硒作为高能电极材料的优缺点互补性，从空间限域、化学吸附、共价键键合三方面着重介绍了硫硒双元正极体系的发展现状，指出了其未来发展前景。

要点三：阻隔层构筑

针对锂硒电池在不同电解液中存在的问题，在正负极间或正极表面构筑阻隔层可有效阻止多硒化物的迁移、减轻副反应的发生。

其中，对隔膜进行修饰或构筑新的中间层可有效抑制穿梭效应。相关研究主要采用石墨烯、杂原子掺杂碳、共价有机框架材料、金属碳氮化合物等，通过物理限域、化学吸附等作用限制多硒化锂的自由穿梭

另外，在电解液中引入氟代碳酸乙烯酯等添加剂可在正极表面原位形成保护层，不仅能将醚类电解液中产生多硒化物限域在正极区域内，还能有效阻止硒正极在碳酸酯类电解质中的副反应，从而获得稳定的充放电循环。

要点四：固态电解质

固态电解质可从根本上解决锂硒电池面临的穿梭效应、副反应及安全性等问题。同时，硒本身导电性良好，在固态电池中具有先天性优势。然而，固态电解质存在较差的界面浸润性和锂离子导率，使得固态锂硒电池的发展面临巨大挑战。

文章从准固态电解质、聚合物电解质、及无机固态电解质等方面对固态锂硒电池的研究现状进行了介绍，指出不同类型电解质的优缺点，为固态锂硒电池的进一步研究提供了参考。

要点五：总结与展望

作为高能电池技术领域强有力的竞争者，锂硒与锂硫电池在材料性质与充放电机理方面有着诸多相似之处。然而，锂硒电池与酯类电解质有着较好的相容性，在生产成本和储能效率方面有着独特的优势。

基于此，对锂硒电池的研究需更深入和广泛。文章展望了锂硒电池在机理探究、正负极设计、固态电解质开发以及性能评估等方面的研究前景，为后续工作指明了方向。

文章链接

“State‐Of‐The‐Art and Future Challenges in High Energy Lithium–Selenium Batteries”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003845

通讯作者介绍

艾伟教授.

西北工业大学教授、博士生导师。新加坡南洋理工大学理学博士，2018年加入西北工业大学柔性电子研究院，入选“翱翔海外学者”A类。研究领域为新能源器件及其柔性智能、电化学能源材料与技术。近年来在包括Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等期刊发表论文50余篇，其中ESI高被引论文4篇、热点论文1篇，H指数19。申请国际国内发明专利10项，其中已授权专利3项。

杜洪方助理教授.

西北工业大学助理教授，硕士生导师。2018年毕业于西南大学，获理学博士学位，师从电化学专家李长明教授。2016年-2018年在新加坡南洋理工大学交流学习。2018年8月，加入西北工业大学柔性电子研究院。科研工作集中在功能纳米材料的可控设计与清洁能源转化应用，包括电解水、氮还原和二氧化碳还原等。目前，已在Advanced Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A等杂志上发表一系列研究论文。

黄维院士.

柔性电子学/有机电子学家，中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士。“长江学者”特聘教授，国家“杰出青年科学基金”获得者，“973”项目首席科学家，《Research》主编（中国）。从九十年代初开始致力于跨物理、化学、材料、电子、信息、生命和医学等多个学科、交叉融合发展起来的有机（光）电子学、塑料电子学、印刷电子学和柔性（光）电子学等国际前沿学科研究，在构建有机光电子学科的理论体系框架、实现有机半导体的高性能化与多功能化、推进科技成果转化与产业化方面做了大量富有开拓性、创新性和系统性的研究工作，是中国有机（光）电子学科和柔性（光）电子学科的奠基人与开拓者。以第一或通讯作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Nature Communications等顶级学术期刊发表研究论文760余篇，h因子为131，国际同行引用逾73000次，是材料科学与化学领域全球高被引学者，在SciVal（全球顶级科技论文数据库）材料学科以及OLED、SolarCell和Conjugated Polymer领域论文发表方面排名全球第一，获授权美国、新加坡和中国等国发明专利360余项，出版了《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《有机光电子材料在生物医学中的应用》《OLED显示技术》等学术专著。