2023年鋰電池研究重大突破

1：固態(tài)電解質(zhì)最新成果 登上Science！

日本東京工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新研究所全固態(tài)電池研究中心Ryoji Kanno教授團隊利用高熵材料的特性，通過增加已知鋰超離子導(dǎo)體的組成復(fù)雜性來設(shè)計了一種高離子導(dǎo)電的固態(tài)電解質(zhì)，以消除離子遷移的障礙，同時保持超離子導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)框架。合成的具有組成復(fù)雜性的相顯示出改進的離子導(dǎo)電性能。證明了這種高導(dǎo)電固態(tài)電解質(zhì)能夠在室溫下對厚鋰離子電池陰極進行充放電，因此具有改變傳統(tǒng)電池配置的潛力。相關(guān)成果以“A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode”為題發(fā)表在Science上。

2：Science：鋰空氣電池

美國伊利諾伊理工大學(xué)（Illinois Institute of Technology）Alireza Kondori，Larry A. Curtiss，Mohammad Asadi等人在Science上發(fā)表論文?；谘趸嚕↙i2O）形成的鋰空氣電池理論上可以提供與汽油相當?shù)哪芰棵芏?。氧化鋰的形成涉及?a target="_blank">電子反應(yīng)，這比分別產(chǎn)生超氧化物鋰（LiO2）和過氧化鋰（Li2O2）的單電子和雙電子反應(yīng)過程更難實現(xiàn)。研究團隊通過使用基于嵌入改性聚環(huán)氧乙烷聚合物基體中的Li10GeP2S12納米顆粒的復(fù)合聚合物電解質(zhì)，Li2O是室溫固態(tài)鋰空氣電池的主要產(chǎn)品。該電池可在低極化間隙下充電1000次，并可高速率運行。研究成果以A room temperature rechargeable Li2O-based lithium-air battery enabled by a solid electrolyte為題發(fā)表于Science。

3：王春生鋰電池成果 ?再發(fā)Nature!!!

美國馬里蘭大學(xué)王春生教授等人（共同通訊作者）在正極測采用不同重量比的Bi和Mg粉體球磨法合成了不同成分的Mg-Bi合金（MgxBi84；x=0、2、8、16、24）。由于Mg16Bi84使Li6PS5Cl在1.9?mA?cm-2和1.9?mAh?cm-2下達到最高的臨界電流密度（CCD），選擇它來研究Li沉積/剝離活化過程中的Mg遷移過程。Mg16Bi84負極夾層的優(yōu)點包括：LiMgSx?SEI的形成保護了Li6PS5Cl免受還原，并將Li6PS5Cl電解質(zhì)與Li3Bi層緊密接觸；同時，Mg向鋰負極的遷移將Li3Bi層粘結(jié)到鋰負極，在高容量容量時在多孔Li3Bi層的孔中沉積，有效地緩解Li沉積/剝離過程中的應(yīng)力變化，降低了堆積壓力；Li3Bi/Li6PS5Cl界面的高電位（約0.7 V）進一步穩(wěn)定了Li6PS5Cl電解質(zhì)，加速了Mg的遷移。更加重要的一點是，Li3Bi的高離子/電子電導(dǎo)率確保了Li沉積在Li3Bi/Li界面上，而不是在Li3Bi/Li6PS5Cl界面上。在正極側(cè)，作者使用一種富氟（F）的界面層，其中F陰離子能夠在4.3V時從NMC811表面層遷移到NMC811體相中，從而使得表明涂覆轉(zhuǎn)化為F摻雜，最終使得NMC811從表面到體相的材料穩(wěn)定性得到大幅度提高，即使在2.5 MPa的低堆疊壓力下也能實現(xiàn)極其優(yōu)異的性能。相關(guān)研究成果以“Interface design for all-solid-state lithium batteries”為題發(fā)表在Nature上。

4：廈門大學(xué)最新Nature?。?！

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊，與北京化工大學(xué)陳建峰院士團隊和美國阿貢國家實驗室徐桂良、Khalil Amine研究員團隊在液體電池內(nèi)構(gòu)建了一個Li-S納米電池，并結(jié)合電化學(xué)透射電子顯微鏡（EC-TEM），在醚類電解質(zhì)內(nèi)實現(xiàn)了對電極表面LiPSs演變的高分辨率實時觀察。研究表明，活性中心將可溶性LiPSs聚集成類似液滴的密集相，并引發(fā)了非平衡納米晶/無定形Li2S的瞬時沉積，而不是傳統(tǒng)的逐步轉(zhuǎn)化。密度泛函理論（DFT）計算和分子動力學(xué)（MD）模擬指出，聚集誘導(dǎo)的相變是由于活性中心與LiPSs液滴狀密集之間的遠程靜電相互作用和集體電荷轉(zhuǎn)移行為而導(dǎo)致的。

由于高能量密度和低成本，鋰-硫（Li-S）電池被認為是先進能源存儲系統(tǒng)的有希望的候選者。盡管在抑制鋰硫化物長期存在的“穿梭效應(yīng)”方面付出了巨大努力，但在納米尺度上理解鋰硫化物的界面反應(yīng)仍然難以捉摸。研究團隊使用原位液體電池電化學(xué)透射電子顯微鏡，直接可視化了鋰硫化物在電極表面的原子尺度轉(zhuǎn)化。值得注意的是，研究團隊捕捉到了鋰硫化物在納米團簇活性中心固定表面上發(fā)生的出乎意料的聚集誘導(dǎo)的集體電荷轉(zhuǎn)移。它進一步導(dǎo)致了從濃密的鋰硫化物液相瞬間沉積出非平衡的Li2S納米晶體。在沒有活性中心的介入的情況下，反應(yīng)遵循了經(jīng)典的單分子途徑，鋰硫化物逐步轉(zhuǎn)化為Li2S2和Li2S。分子動力學(xué)模擬表明，活性中心與鋰硫化物之間的遠程靜電相互作用促進了由Li+和Sn2?（2 < n ≤ 6）組成的密集相的形成，密集相中的集體電荷轉(zhuǎn)移也被從頭分子動力學(xué)模擬所驗證。這種集體界面反應(yīng)路徑揭示了一種新的轉(zhuǎn)化機制，深化了對Li-S電池的基本理解。相關(guān)研究成果以“Visualizing interfacial collective reaction behaviour of Li–S batteries”為題，發(fā)表在頂級期刊《Nature》上。該論文的第一作者是廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的博士研究生周詩遠，以及北京化工大學(xué)的施杰博士。

5：UCLA李煜章最新Nature!!!

美國加州大學(xué)洛杉磯分校李煜章教授課題組通過在超快沉積電流密度下超過SEI膜的形成速度來解耦這兩個相互交織的過程，同時也避免了質(zhì)量傳輸?shù)南拗?/strong>。通過使用低溫電子顯微鏡，本工作發(fā)現(xiàn)一旦SEI不再影響鋰金屬的沉積行為，Li金屬將不再沉積為的枝晶狀，而是形成了完美的菱形十二面體形貌，這與電解質(zhì)化學(xué)或集流體基底無關(guān)。本工作提出了一種脈沖電流源協(xié)議，通過利用Li菱形十二面體作為成核種子來克服這種失效模式，從而實現(xiàn)了致密Li的后續(xù)生長，提高了電池性能。雖然在過去的研究中，鋰沉積和SEI膜的形成一直是緊密相連的，但本工作的實驗方法為從根本上理解這些相互解耦的過程提供了新的機會，并為設(shè)計更好的電池帶來了新的見解。相關(guān)論文以題為“Ultrafast deposition of faceted lithium polyhedra by outpacing SEI formation”發(fā)表在Nature上。