【能源】清华大学张强Angew Chem：离子选择性通道助力实用化锂硫软包电池- 大数跨境

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2021-06-14

导读：清华大学张强教授、燕立唐教授和电子科技大学的彭翃杰教授、德国德累斯顿工业大学的Stefan Kaskel合作，提出了一种锂离子选择透过性通道的设计来抑制多硫化物在金属锂表面富集。

开发高比能电池体系具有重要意义。其中，金属锂负极匹配高比容量硫正极的锂硫电池体系是具有实用化潜力的下一代高比能电池体系之一。金属锂负极因其低电化学反应电势，具有强还原性和高反应性。在锂硫电池反应过程中，金属锂与电解液中多硫化物持续发生反应，消耗有限的金属锂，加速电池失效。并且多硫化物受浓度梯度穿梭于两电极之间，使电池库伦效率低下。因此，减弱锂硫电池中的“穿梭效应”，抑制多硫化物与金属锂反应至关重要。

近日，清华大学张强教授、燕立唐教授和电子科技大学的彭翃杰教授、德国德累斯顿工业大学的Stefan Kaskel合作，提出了一种锂离子选择透过性通道的设计来抑制多硫化物在金属锂表面富集。相比多硫化物（3—5 Å），锂离子（约1 Å）具有更小的尺寸。理论上，在金属锂表面构建合适尺寸的有序离子通道可以选择性导通锂离子而阻隔大尺寸的多硫化物与金属锂反应。为验证上述设计的可行性，研究者通过亲锂性氨基封端的聚二甲基硅氧烷（AT-PDMS）接枝修饰金属锂的方法构建了有序密排的聚合物界面，系统研究了其阻隔多硫化物的表现，并在软包电池中实现实用化验证。

聚二甲基硅氧烷的亲锂性端基调控聚合物链组织结构，形成有序的离子通道的同时，带来界面处的拥挤效应。在过电位的驱动下，锂离子以相对小的阻力通过界面层，然而大尺寸的多硫化物则被有效的阻挡。由于阻隔了多硫化物，选择透过性的界面有效抑制金属锂的副反应，实现锂硫电池高库效率。

图1. 选择透过性界面设计

在化学和电化学条件下，研究者系统研究了选择透过性界面（AT-PDMS）阻挡多硫化物和导通锂离子的能力。实验测试表明：1）选择透过性界面显著抑制了多硫化物与金属锂的副反应；2）选择透过性来源于亲锂性端基对聚合物链组织结构的调控。

图2. 化学和电化学条件下的选择透过性

耗散粒子动力学（DPD）模拟验证尺寸效应，表明大尺寸的多硫化物相比于小尺寸的锂离子，对界面拥挤更加敏感。

图3. 选择透过性界面理论模拟

在Li | S软包电池（1.7倍过量金属锂，E/S比5：1）中验证选择透过性界面的作用。在选择透过性界面下，软包电池以高于99%的库伦效率稳定循环约80圈，容量保持率80%。

图4. 实用化锂硫软包性能

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，清华大学本科生（现在康奈尔大学博士研究生）陈鹏宇、博士后闫崇与博士研究生陈鹏宇为文章的共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Selective Permeable Lithium-ion Channels on Lithium Metal for Practical Lithium–Sulfur Pouch Cells

Qiang Zhang, Peng-Yu Chen, Chong Yan, Pengyu Chen, Rui Zhang, Yu-Xing Yao, Hong-Jie Peng, Li-Tang Yan, Stefan Kaskel

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202101958

陈鹏宇博士研究生

2019年本科毕业于清华大学化学工程系，张强教授课题组。现为美国康奈尔大学博士研究生，主要从事固态电解质及金属锂负极界面相关研究。

闫崇清华大学博士后

2013年本科毕业于河南师范大学化学化工学院，2020年博士毕业于北京理工大学材料学院，现为清华大学“水木学者”，入选2020年“博士后创新人才支持计划”。主要从事电极/电解质界面、锂离子电池快充等方面的相关研究。

张强清华大学长聘教授

张强，清华大学长聘教授，国家“杰出青年基金”获得者，课题组长期致力于能源材料化学/化工领域研究。高效的储能系统是当代交通、能源工业、消费电子产业的核心支柱。寻找新的高容量密度的电极材料和能源化学原理，获得高比能储能系统是当今能源存储和利用的关键。该研究团队深入探索锂硫电池这类依靠多电子化学输出能量的化学电源的原理，提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂配合物概念，并根据高能电池需求，研制出固态电解质界面膜保护的锂负极及碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。针对锂金属负极，提出了亲锂化学，通过先进手段研究固态电解质膜，通过引入纳米骨架、表面修饰保护层等方法调控金属锂的沉积行为，实现金属锂电池的高效安全利用。这些相关研究工作先后发表在《先进材料》《美国化学会会志》《德国应用化学》《能源存储材料》《化学》《焦耳》《自然通讯》《美国科学院院报》等知名期刊上。近期，该研究团队在《化学评论》上进行了二次电池中安全金属锂负极评述。该研究团队在锂硫电池、金属锂负极领域也申请了一系列中国发明专利和PCT专利。

课题组主页：

https://www.qianggroup.com/wp/news/

https://www.x-mol.com/university/faculty/21097