【Highlights】孙永明教授课题组AM： 200°C以上超熔点高温稳定锂金属负极！！！- 大数跨境

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【Highlights】孙永明教授课题组AM： 200°C以上超熔点高温稳定锂金属负极！！！

科学材料站

2020-05-31

导读：本文采用Li5B4/Li复合材料作为高温电极，该材料由金属Li填充在相互连接的3D Li5B4纤维骨架中构成，这样的结构可以使电极在325°C高温下不发生液态金属Li泄漏，因此以它作为负极与固态电解

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超熔点温度稳定工作的锂金属电极

First published: 28 May 2020

作者：付林，万敏涛，张宝，袁一斐，金阳，王文宇，王贤成，李元建，王莉，江建军，陆俊*，孙永明*

第一单位：华中科技大学武汉光电国家研究中心

导读

金属锂（Li）负极由于其较低的熔点（180.5°C）和极高的反应性，在常规电池结构（如叠片结构）中无法在高温下工作（本文高温指高于金属锂熔点180.5°C），这限制了金属锂电池在特殊场景（如外太空、火箭、军事）下的应用。

为此, 华中科技大学孙永明教授课题组近日在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“A Lithium Metal Anode Surviving Battery Cycling Above 200 °C”的研究文章, 博士生付林是本文的第一作者。

本文采用Li5B4/Li复合材料作为高温电极，该材料由金属Li填充在相互连接的3D Li5B4纤维骨架中构成。这样的结构可以使电极在325°C高温下不发生液态金属Li泄漏，因此以它作为负极与固态电解质匹配可以以常规电池结构在高温下稳定工作。

Li5B4/Li复合材料具有良好的耐热性源于Li4B5纤维骨架的多孔结构及其亲Li表面所产生的毛细力。作者将Li5B4/Li电极匹配石榴石型陶瓷电解质（Li6.5La3Zr0.5Ta1.5O12）组装三明治结构对称电池，该电池在200°C时展现了稳定的Li剥离/沉积行为及较低的低过电位（~6mV）。这项工作有别于基于熔融盐的传统高温Li金属电池，在简化了电池结构的同时提高了安全性，为高温Li金属电池的研发提供了新的思路。

导师专访

导师解析

金属锂是锂基可充电电池负极的终极选择。近年来，金属锂电极在室温环境下的研究取得了实质性进展。开发高温金属锂电池，提高金属锂电池的热安全性是一个重要但鲜有报道的研究方向。

本论文利用了热稳定性和机械稳定性好、亲锂性强、对液体金属锂具有强毛细吸附作用的三维Li5B4纤维网络结构，实现了Li5B4/Li复合电极在高温下能有效限域液态金属锂，保持稳定的电极结构，并与固态电解质匹配用常规电池结构实现了稳定的电化学循环。

孙永明

华中科技大学武汉光电国家研究中心教授

背景简介

1. 耐高温锂电池的研究进展

金属Li负极具有最高的理论比容量(3860 mAh g−1)和最低的电化学电位(−3.04 V vs. 标准氢电极)，这使它成为可充高能量密度Li金属电池负极的最终选择。在过去的几十年中，人们一直致力于研发室温环境下工作的Li金属电池并取得了令人振奋的进展，但对高温Li金属电池的研究很少。当前，除了传统的熔盐的传统高温Li金属电池，有报道使用复杂的陶瓷管电解质限域液态金属的流动来实现电池的高温运行。然而，复杂的电池构造和高度活化的液态金属Li或导致电池制作复杂、安全性差。对高温简单构造的Li金属电池的探索依然是空白。

2. 对高温锂金属电池发展的思考

当前高温Li电池存在的不足根本原因是液态金属Li的流动性和高反应活性，因此，探索耐热性好的Li金属电极，对于简化高温Li金属电池的结构和提高电池热安全性具有重要意义。为此，作者提出以下三条指导方针用来寻找耐热性高、稳定性好的Li金属负极：

1）电极材料应具有良好机械和热稳定性的三维导电框架;

2）该框架应具有合理的孔隙结构;

3）该框架表面具有较好的亲Li性。

核心内容

基于对上述的思考，Li5B4/Li复合材料是理想的候选材料之一，其结构特点为金属Li填充在相互连接的3D纤维结构Li5B4合金框架。Li5B4/Li复合材料的优势可归结如下：

（1）Li5B4合金多孔的3D框架及表面亲Li性能够在高温下限制液态金属Li的流动（Li含量为72%时，可承受325ºC）✔

（2）Li5B4合金具有良好的机械和热稳定性，其物相和结构能够容忍约1000 ºC的高温而维持不变 ✔

（3）Li5B4合金的脱Li电势约为0.88 V，能确保在金属Li循环过程中保持结构稳定 ✔

（4）高电导率的Li-B合金3D框架提供了载流子的快速迁移通道 ✔

该复合材料搭配陶瓷固态电解质组装了常规结构的Li5B4/Li||Li5B4/Li 对称电池，该电池能在200 ºC下实现稳定电化学循环。Li5B4/Li复合电极的设计和使用降低了Li金属高温电池的制造要求，降低了电池在高温运行时因液态金属Li流动引起的安全隐患，展现了极大的潜在应用价值。

第一作者专访：付林

1. 该研究的设计思路和灵感来源

作为高能量密度电池负极的最终选择，金属Li在高温电池中的研究很少，基于常规结构电池的探索更是空白。具有亲Li作用的“3D host”材料能通过毛细作用吸取液态的金属Li，反向思考，这个“host”就能够抑制液态金属Li在高温下流出。高温下金属Li的不流动为组装常规结构高温电池提供了基础。因此，我们进行了深入的思考和讨论，从而定下了相应的实验设计。

2. 该实验难点有哪些？

该实验的难点主要有2个方面：

第一：Li5B4/Li在200°C时展现出固态特色，与陶瓷电解质组装电池时在它们之间存在一个较大的固-固界面阻抗。电池运行温度的不同导致界面优化的方法也不同于之前的研究报道，需要大量精力去探索。

第二：电池测试需要设计专门的测试平台且测试过程需要轮班值守。根据复合材料的性质，它可以在325°C以下的任意温度运行，正因为受到测试条件的制约，本论文仅报道了200°C的电化学性能。

3.该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

充分发挥了Li5B4/Li复合材料的结构和性能，简化了高温Li电池的结构，同时降低了电池制作的成本并提高了电池运行的安全性，希望能引发广大同行的思考，对该领域的发展有一定的贡献。

第一作者：付林

图（整理）. 材料性能表征及其电化学性能测试。 Li5B4/Li复合材料的(a)XRD图谱和(b)表面SEM图。(c) Li5B4/Li复合材料在金属脱出后电极的表面SEM图，结果显示了3D连续的Li5B4纤维结构。Li5B4/Li和纯Li样品（d）随着温度升高表面变化的数码照片和（e）DSC曲线。Li5B4/Li||Li5B4/Li 对称电池的（f）结构和（g）在200 ºC下循环的电压-时间曲线。

导师点评

今后的研究可以聚焦在开发高温下工作时结构和电化学性能稳定的正极、优化正负极与固态电解质的匹配工艺，从而实现高温金属锂全电池。进一步地，通过不断地在材料、电极和电池结构上的创新，实现从低温到高温的宽工作温度范围的金属锂全电池。

文章链接:

A Lithium Metal Anode Surviving Battery Cycling Above 200 °C

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000952

导师简介:

孙永明, 华中科技大学武汉光电国家研究中心教授

孙永明教授一直从事电化学储能材料及器件研究工作，在锂离子电池锂补偿材料和技术、快速充放电电池材料、锂离子/锂金属电池高容量电极材料、柔性/可拉伸储能材料和器件方面取得了重要研究进展。迄今为止，在Science、Nature Energy、Nature Nanotechnology等知名国际期刊发表论文60余篇，其中发表第一作者或通讯作者论文30+篇，包括Nature Energy （2篇）、Nature Communications (1篇)、Advanced Materials （3篇）、Energy & Environmental Science（1篇）、Joule（1篇）、Nano Letters（4篇）、ACS Nano（2篇）、Advanced Energy Materials（1篇）、Advanced Functional Materials（2篇）、Chem (1篇)、Energy Storage Materials（4篇）等。获得授权美国专利1项，申请美国专利3项，申请中国专利3项。据google scholar, 所发论文引用超过9500次，H因子为41。

资源链接:

http://faculty.hust.edu.cn/SUNYONGMING/zh_CN/more/2031847/jsjjgd/index.htm