华中科大|黄云辉教授&李真教授AFM研究论文：亲锂、低曲折度骨架提高锂负极在碳酸酯电解液中的循环稳定性- 大数跨境

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华中科大|黄云辉教授&李真教授AFM研究论文：亲锂、低曲折度骨架提高锂负极在碳酸酯电解液中的循环稳定性

科学材料站

2020-12-20

导读：该工作通过简单的卷绕、剪切方法，设计了一种由亲锂、低曲率骨架TiO2-PVP支撑的具有分级结构的复合锂负极。

文章信息

亲锂、低曲率骨架提高锂负极在碳酸酯电解液中的循环稳定性

第一作者：吴敬一

通讯作者：李真，黄云辉

单位：华中科技大学

研究背景

金属锂由于其很高的理论比容量、低电势及轻质量被认为是极具潜力的下一代电池负极材料。然而，金属锂在电化学沉积、循环过程中存在不少问题，特别是金属锂与应用最为广泛的碳酸酯类电解液热力学不匹配，金属锂表面易形成不稳定的SEI膜，加速锂枝晶生长与界面副反应，尤其在高倍率和高面容量下失效更为严重。因此，开发锂负极的保护技术、实现锂负极在商用碳酸酯电解液中的安全高效循环是当前行业发展的一大挑战。

文章简介

近日，来自华中科技大学的黄云辉和李真教授团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Composite lithium metal anodes with lithiophilic and low-tortuosity scaffold enabling ultrahigh currents and capacities in carbonate electrolytes”的研究论文。

该工作通过简单的卷绕、剪切方法，设计了一种由亲锂、低曲率骨架TiO2-PVP支撑的具有分级结构的复合锂负极。

图1. 亲锂、低曲率骨架TiO2-PVP支撑的具有分级结构复合锂负极的制备方法

本文要点

要点一：分级结构复合锂负极

垂直排列的TiO2-PVP阵列卷绕锂箔形成具有交替Li和TiO2-PVP的分级结构。

TiO2-PVP阵列之间微米级的间距可承载金属锂在充放电过程中的体积变化，TiO2-PVP纤维之间1-2 mm低曲率孔道为锂离子传导提供了快速通道，TiO2-PVP纤维表面的纳米级TiO2具有亲锂性，有助于金属锂的成核与沉积。

要点二：碳酸酯电解液中高倍率循环稳定性

在高倍率充放电过程中，Li+的扩散速率是锂沉积形貌的决定因素。

TiO2-PVP纤维形成的垂直孔道缩短了Li+的扩散路径，使得更多的Li+可以在较短时间内传导到电极内部，促进了金属锂的均匀沉积，抑制了锂枝晶的生长，降低了隔膜穿刺的风险。金属锂对称电池在12 mA cm-2的高倍率和6 mAh cm-2的高面容量下可以稳定循环75圈。该复合锂负极与磷酸铁锂、硫及高镍三元正极匹配，均表现出优异的倍率性能与循环稳定性。

要点三：超声波对电池产气的无损检测

利用超声波在不同介质间透射率的差异，将超声波与可视化成像技术结合，以不同颜色进行成像来分析电池内部的产气情况。

超声波信号在液体和固体中的阻抗远超过在气体中的阻抗，因此当超声波穿过气-液界面或气-固界面会产生强烈的反射与散射并造成严重的信号衰减，所以，超声透射成像对电池内部的产气检测有着极高的灵敏度。

采用本团队在华中科技大学无锡研究院研制的电池超声扫描设备，对电池进行扫描成像分析，发现复合锂负极在循环过程中没有明显的气体产生，证明了其优异的界面稳定性。

文章链接

Composite lithium metal anodes with lithiophilic and low-tortuosity scaffold enabling ultrahigh currents and capacities in carbonate electrolytes

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202009961

通讯作者介绍

黄云辉教授

简介：华中科技大学教授，博士生导师，2010-2017年任材料科学与工程学院院长，现为校学术委员会副主任；国家杰出青年科学基金获得者，新世纪百千万人才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者。毕业于北京大学，师从国家最高科技奖获得者徐光宪院士和诺贝尔化学奖得主John B. Goodenough院士。主要研究领域为新能源材料与器件，在Science、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等期刊上发表学术论文400余篇，论文被引用3.3万次，H-因子89，授权或公开专利50余件。获国家自然科学二等奖1项、省部级科技奖3项。

李真教授

简介：国家和湖北省高层次人才项目入选者，2020 年获湖北省自然科学一等奖（排名 4/5），于 2014 年在华中科技大学获得博士学位，2015-2018 年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究。主要研究领域为锂硫电池、固态电池、新型金属-硫二次电池等，在 Nat. Commun.、Sci. Adv.、Joule、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed. 等期刊发表论文40 余篇，授权发明专利 4 项。

第一作者介绍

吴敬一

本科毕业于复旦大学化学系、硕士毕业于美国芝加哥大学、博士毕业于华中科技大学，现为博士后，主要从事锂金属固态电解质和锂负极保护的研究，在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等期刊上发表论文10余篇。

课题组介绍

动力与储能电池实验室是由黄云辉教授创建于 2008 年，依托于华中科技大学材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室，现有教授(博导)5人、副教授 2人。研究方向主要包括锂离子电池、下一代锂硫/锂空和钠离子电池、固体氧化物燃料电池等。自成立以来，实验室共发表论文 400 余篇，引用3万余次，授权和公开发明专利50余件。锂离子电池正极材料、电池快充关键技术、电池健康状态超声检测技术及设备等一批成果已实现成果转化和应用；所培养学生中已有 13人晋升为教授，7人获国家级青年人才计划。研究成果获国家自然科学二等奖1项、省部级科技奖励3项。

课题组网站：

http://sysdoing.mat.hust.edu.cn/