【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】新春伊始，材料學(xué)院劉向峰教授團(tuán)隊(duì)在高安全動(dòng)力與儲(chǔ)能電池研究方面取得了系列進(jìn)展。動(dòng)力與儲(chǔ)能電池是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)以及能源轉(zhuǎn)型的重要途徑。鋰離子電池已經(jīng)在3C電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、新型儲(chǔ)能技術(shù)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但是，鋰離子電池引起的安全隱患和事故已經(jīng)受到極大關(guān)切。全固態(tài)電池、水系電池等因?yàn)椴皇褂糜袡C(jī)易燃電解液，能夠從根本上解決電池安全性等問(wèn)題，因而備受關(guān)注，也是國(guó)內(nèi)外競(jìng)相發(fā)展的前沿領(lǐng)域。
 

　　高性能固體電解質(zhì)材料的缺失以及固-固界面阻抗大、界面相容性差等問(wèn)題嚴(yán)重制約了固態(tài)電池的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)固態(tài)電池存在的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題，劉向峰教授等人首次成功構(gòu)建了基于富鋰錳基正極材料和石榴石型氧化物固體電解質(zhì)的高比能、高倍率、高循環(huán)穩(wěn)定性的全固態(tài)電池。電壓衰減也得到了顯著抑制，由液態(tài)電池下的2.96 mV/圈下降到0.66 mV/圈。此外，該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)共振非彈性譜儀等先進(jìn)手段首次揭示了富鋰錳基氧化物正極材料在固態(tài)電池條件下的氧陰離子氧化還原行為，發(fā)現(xiàn)與液態(tài)電池條件下相比，其氧陰離子氧化還原反應(yīng)的可逆性具有顯著提高。該工作對(duì)基于高容量富鋰錳基氧化物正極材料的全固態(tài)電池研究具有十分重要的推進(jìn)作用。該成果近期發(fā)表于國(guó)際著名期刊 Angewandte Chemie International Edition .(2024, 63，e202315856)，文章第一作者是2021級(jí)博士研究生陳步天。
 

圖1. 基于富鋰錳基氧化物正極材料的高性能固態(tài)電池.
 

　　聚合物-無(wú)機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)因具有低成本、易加工、高柔韌性及良好界面相容性等特點(diǎn)而展現(xiàn)出極大的規(guī)模化應(yīng)用前景。然而，聚合物-無(wú)機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)室溫下離子電導(dǎo)率低、界面穩(wěn)定性較差等問(wèn)題卻嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)聚合物復(fù)合固體電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率低、界面穩(wěn)定性差等難題，劉向峰教授等人首次提出了“競(jìng)爭(zhēng)配位誘導(dǎo)效應(yīng)”(Competitive Coordination Induction Effect，CCIE)的新概念，并基于CCIE設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了具有高離子電導(dǎo)率和高界面穩(wěn)定性的聚合物-無(wú)機(jī)復(fù)合固體電解質(zhì)材料。30?C下，聚合物復(fù)合固體電解質(zhì)電導(dǎo)率高達(dá)6.25×10-4 S cm-1。在不添加界面潤(rùn)濕劑的情況下，構(gòu)筑的全固態(tài)電池在 30℃ 溫度下具有非常優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性。此外，借助多種譜學(xué)技術(shù)和理論計(jì)算等手段揭示了聚合物-無(wú)機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中局域配位結(jié)構(gòu)與鋰離子遷移、界面化學(xué)之間的重要關(guān)聯(lián)。該工作為開(kāi)發(fā)高性能聚合物復(fù)合電解質(zhì)及全固態(tài)鋰金屬電池提供了一種重要思路。該研究成果近期發(fā)表于國(guó)際著名期刊 Angewandte Chemie International Edition .(DOI: 10.1002/anie.202400960)，并被評(píng)選為“Hot Paper”。文章第一作者是2022級(jí)碩士生王騰輝，陳步天為共同第一作者。
 

圖2.競(jìng)爭(zhēng)配位誘導(dǎo)效應(yīng)機(jī)理示意圖
 

　　水系鋅離子電池因安全、無(wú)毒、高容量等特點(diǎn)，成為最具潛力的可持續(xù)儲(chǔ)能技術(shù)之一。但亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何獲得具有高放電深度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的無(wú)枝晶鋅負(fù)極。劉向峰教授、張?zhí)烊桓苯淌诘热送ㄟ^(guò)調(diào)控金屬與配位原子之間的電子相互作用，成功逆轉(zhuǎn)了金屬氮碳催化劑“疏鋅/親水”的固有特性，進(jìn)而制備出“親鋅/疏水”的不對(duì)稱催化體系，成功實(shí)現(xiàn)了均勻Zn沉積和高放電深度下的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性，該研究為解決水系鋅離子電池深度放電下的鋅枝晶問(wèn)題提供了新策略，同時(shí)為高性能水系二次電池關(guān)鍵材料開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。該成果近期發(fā)表于國(guó)際著名期刊 Advanced Materials   ( 2024, 2311637), 文章第一作者是2023級(jí)碩轉(zhuǎn)博研究生楊梓藝同學(xué)。
 

圖3.“親鋅/疏水”的不對(duì)稱催化體系構(gòu)筑及高放電深度下的長(zhǎng)循環(huán)
 

　　以上工作得到了德國(guó)光源、東莞散裂中子源、上海同步輻射光源等大科學(xué)裝置平臺(tái)支持以及國(guó)家自然科學(xué)基金、CAS-DOE國(guó)際合作項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院重大儀器研制、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、中央高?；窘ㄔO(shè)經(jīng)費(fèi)等資助。