中科院物理所吴凡团队- 液态金属电极在电化学储能中的应用

来源：原创 | 2023年06月26日

【背景介绍】

锂金属由于其最高的能量密度而被认为是最理想的锂电池负极材料，但传统的锂金属-液体电解液电池系统存在着低库仑效率、SEI重复破裂生成和锂枝晶生长等问题。由碱金属、芳香烃和醚类溶剂组成的复合液态金属溶液电极可抑制锂枝晶形核生长，从而解决以上问题。这些复合碱金属溶液比高温熔融的碱金属或碱金属合金更容易控制、更稳定、更安全。基于此，中科院物理所吴凡教授团队详细总结梳理了碱金属、芳香烃和醚类溶剂的复合溶液电极研发现状，包括其发展历史、作用原理和特点等。此外，还讨论并提出了限制其实际应用的障碍和未来研究方向，以促进这一领域的良性发展。相关成果发表在Precision Chemistry上。中科院物理所彭健博士为文章的第一作者， 吴凡为通讯作者。

【文章亮点】

图1. 液态金属溶液的研究历史

图2. 液态金属溶液的电池结构

图3. 液态金属溶液的制备和润湿性

图4. 液态金属溶液中分子间的相互作用

图5. 液态金属溶液的电导率

图6. 液态金属溶液的电势

图7. 液态金属溶液的安全性

图8. 液态金属-空气电池

图9. 液态金属半固态电池

图10. 其他液态金属电池

【总结/展望】

本文总结了液态碱金属负极的发展历程，全面分析了液态碱金属的理化特性，总结了近年来含液态碱金属负极的电池的相关工作，并按照不同电池结构的分类对含液态碱金属负极的电池进行了介绍。

熔融态金属锂和液态钠钾合金有很多缺点，包括需要高温来维持液态，金属锂的熔点高（200℃），界面润湿性差，安全性差等。因此，液态碱金属溶液体系具有明显的优势。然而，液态碱金属溶液的比容量较低（Li1.5BP3DME10的容量仅为29 mAh/g），这样，单用液态碱金属溶液作为负极材料，无法实现高能量密度电池。因此需要使用碱金属负极作为金属锂的保护层材料。考虑到现有的液态碱金属体系电池不能固定在金属锂的表面作为稳定的保护层，需要设计一种新的结构/配置，将液态碱金属包裹在电池的中间，形成稳定的界面层。由于液态碱金属溶液的挥发性，液态碱金属也可以凝胶化形成凝胶膜层，并固定在碱金属表面。这样，由于聚合物基材的作用，液态碱金属的挥发得到抑制，电池的长周期性能得到提高。同时，还应该开发与液态碱金属和固体电解质兼容的具有较高离子传导性的界面层，进一步提高该电池系统的倍率性能。因此，液态碱金属的应用前景是设计和开发一种新型的碱金属电池，可以实际应用液态碱金属和液态碱金属的凝胶层作为保护层。这将为大规模制备安全性高、能量密度高、循环寿命长的固态碱金属电池奠定良好的基础。

出版信息：

Precis. Chem. 2023

Publication Date: June 22, 2023

https://doi.org/10.1021/prechem. 3c00030

© 2023 The Authors. Co-published by University of Science and Technology of China and American Chemical Society

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/prechem. 3c00030

【吴凡课题组2022-2023论文】

https://www.x-mol.com/groups/wu_fan/publications 

       
1.Hard-Carbon-Stabilized Li-Si Anodes for high-performance All-Solid-State Li-ion Batteries. W. Yan, Z Mu, Z. Wang, Y. Huang, D. Wu, P. Lu, J. Lu, J. Xu, Y. Wu, T. Ma, M. Yang, X. Zhu, Y. Xia, S. Shi, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Nature Energy (IF=67.439) 2023, https://doi.org/10.1038/s41560-023-01279-8 

2.High-Areal-Capacity and Long-Cycle-Life All-Solid-State Battery Enabled By Freeze Drying Technology. T. Ma, Z. Wang, D. Wu, P. Lu, X. Zhu, M. Yang, J. Peng, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Energy & Environmental Science (IF=40) 2023, 16, 2142 - 2152.

3.High-Capacity, Long-Life Iron Fluoride All-Solid-State Lithium Battery with Sulfide Solid Electrolyte. J. Peng ,X. Wang, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Advanced Energy Materials (IF=29.698), 2023, 2300706.

4.Tuning discharge voltage by Schottky electron barrier in P2-Na2/3Mg0.205Ni0.1Fe0.05Mn0.645O2. Y. Wang, Z. Shadike, W. Fitzhugh, F. Wu, S. Lee, J. Lee, X. Chen, Y. Long, E. Hu, X. Li*. Energy Storage Materials, 2023, 55, 587-596

5.High-Safety, Wide-Temperature-Range, Low-External-Pressure and Dendrite-Free Lithium Battery with Sulfide Solid Electrolyte. J. Peng, D. Wu, P. Lu, Z. Wang, Y. Du, Y. Wu, Y. Wu, W. Yan, J. Wang, H. Li, L. Chen &F. Wu*. Energy Storage Materials (IF=20.831) 2023, 54: 430-439.

6.Anode Interfacial Issues in Solid-State Li Batteries: Mechanistic Understanding and Mitigating Strategies. J. Wang, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Energy & Environmental Materials (IF=15.122), 2023, 0, e12613

7.Fast Charge Storage Kinetics by Surface Engineering for Ni-Rich Layered Oxide Cathode. J. Wang, Z. Zhang, W. He, Z. Wang, S. Weng, Q. Li, X. Wang, S. Barg, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Journal of Materials Chemistry A (IF=14.511), 2023, 11, 10239 - 10253.

8.High-Capacity Sulfide All-Solid-State Lithium battery with Conversion-type Iron Fluoride Cathode. X. Wang, Z. Wang, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Journal of Materials Chemistry A (IF=14.511), 2023, in press.

9.Toward Better Batteries: Solid-State Battery Roadmap 2035+. D. Wu,F. Wu*. eTransportation, (IF=13.661), 2023,16,100224.

10.Long-life High-capacity Lithium Battery with Liquid Organic Cathode and Sulfide Solid Electrolyte. J. Peng, D. Wu, H. Li, L. Chen & F. Wu* Battery Energy, 2023, 20220059.

11.Application of liquid metal electrodes in electrochemical energy storage. J. Peng, H. Li, L. Chen & F. Wu*. Precision Chemistry, 2023, in press.

12.Solid state ionics - selected topics and new directions.F. Wu, L. Liu, S. Wang, J. Xu, P. Lu, W. Yan, J. Peng, D. Wu, H. Li* Progress in Materials Science (IF=48.165), 2022, 126,100921.

13.Progress in Solvent-Free Dry-Film Technology for Batteries and Supercapacitors. Y. Li, Y. Wu, Z. Wang, J. Xu, T. Ma, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Materials Today (IF=31.041), 2022, 55,92-109.

14.Long-Life Lithium-Metal All-Solid-State Batteries and Stable Li Plating Enabled by In-situ Formation of Li3PS4 in SEI Layer. J. Xu, J. Li, Y. Li, M. Yang, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Advanced Materials (IF=32.086), 2022, 2203281.

15.Long-life Sulfide All-solid-state Battery Enabled by Substrate-Modulated Dry-Process Binder. Y. Li, Y. Wu, T. Ma, Z. Wang, Q. Gao, J. Xu, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Advanced Energy Materials (IF=29.698), 2022, 01732.

16.Air Stability of Sulfide Solid-state Batteries and Electrolytes. P. Lu#, D. Wu#, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Electrochemical Energy Reviews (IF=30.01), 2022, 5:3.

17.Improving Thermal Stability of Sulfide Solid Electrolytes: An Intrinsic Theoretical Paradigm. S. Wang, Y. Wu, H. Li, L. Chen,F. Wu*. Infomat (IF=25.405) 2022, 212316.

18.Wide-temperature, Long-cycling, and High-loading Pyrite All-solid-state Batteries Enabled by Argyrodite Thioarsenate Superionic Conductor. P. Lu, Y. Xia, G. Sun, S. Shi, Z. Sha, L. Chen, H. Li, F. Wu*. Advanced Functional Materials(IF=19.924), 2022, 2211211.

19.Thermal Stability between Sulfide Solid Electrolytes and Oxide Cathode. S. Wang, Y. Wu, T. Ma, L. Chen, H. Li,F. Wu*. ACS Nano(IF=18.9), 2022, 16, 10, 16158–16176.

20.Interfacial and Cycle Stability of Sulfide All-Solid-State Batteries with Ni-Rich Layered Oxide Cathodes. J. Wang, Z. Zhang, J. Han, X. Wang, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Nano Energy (IF=17.881), 2022, 107528.

21.Doping Strategy and Mechanism for Oxide and Sulfide Solid Electrolytes with High Ionic Conductivity. Y. Wang, Y. Wu, Z. Wang, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Journal of Materials Chemistry A (IF=12.732) 2022, 10, 4517 - 4532.

22.Recent Progress of Solid-Sstate Lithium Batteries in China. D. Wu, L. Chen, H. Li,F. Wu*. Applied Physics Letters, 2022,121, 120502.

23.Air/water Stability Problems and Solutions for Lithium Batteries. M. Yang, L. Chen, H. Li*,F. Wu*. Energy Materials Advances, 2022, 9842651.

24.Stable Ni-rich layered oxide cathode for sulfide all-solid-state lithium battery. Y. Wang, Z. Wang, D. Wu, Q. Niu, P. Lu, T. Ma, Y. Su, L. Chen, H. Li,F. Wu*. eScience, 2022, 2, 537-545.

25.Progress in Lithium Thioborate Superionic Conductors. X. Zhu, Z. Zhang, L. Chen, H. Li.F. Wu*. Journal of Materials Research (invited paper), 2022, 37, 3269–3282.

26.Liquid-phase Synthesis of Li2S and Li3PS4 with Lithium-based Organic Solutions. J. Xu, Q. Wang, W. Yan, L. Chen, H. Li. F. Wu*. Chinese Physics B, 2022, 31,098203.

【作者及团队介绍】         

第一作者：彭健：男，中科院物理所吴凡团队博士毕业生，研究方向为锂金属负极材料及其优化改性。

       
合作作者：陈立泉：中科院物理所博士生导师。中国工程院院士。北京星恒电源股份有限公司技术总监。曾任亚洲固体离子学会副主席，中国材料研究学会副理事长，2004年至今任中国硅酸盐学会副理事长。主要从事锂电池及相关材料研究，在中国首先研制成功锂离子电池，解决了锂离子电池规模化生产的科学、技术与工程问题，实现了锂离子电池的产业化。近年来，开展了全固态锂电池、锂硫电池、锂空气电池、室温钠离子电池等研究，为开发下一代动力电池和储能电池奠定了基础。曾获国家自然科学奖一等奖、中科院科技进步奖特等奖和二等奖，2007年获国际电池材料协会终身成就奖。2001年当选为中国工程院院士。 

       
合作作者：李泓：中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。主要研究方向为高能量密度鲤离子电池、固态鲤电池、电池失效分析、固态离子学。提出和发展了高容量纳米硅碳负极材料，基于原位固态化技术的混合固液电解质高能量密度鲤离子电池及全固态电池等。发表了470余篇学术论文，引用47000次，授权70余项发明专利，H因子115。国家重大人才工程B类专家，荣获国家杰出青年科学基金资助。目前是科技部和工信部+四五储能和智能电网重点专项实施方案与指南编写组的总体组组长，国家新能源汽车创新中心学术委员会委员。国际固态离子学会、国际鲤电池会议、国际储能联盟科学执委会成员。围绕固态电池，推动孵化成立了多家企业。  

通讯作者：

吴凡：中科院物理所博士生导师、共青团常州市委副书记。入选国家级人才计划、中科院人才计划、江苏省杰出青年基金。获全国青年岗位能手（共青团中央）、全国未来储能技术挑战赛一等奖、全国先进储能技术创新挑战赛二等奖（国家工信部）、江苏青年五四奖章等荣誉。

中科院物理所吴凡团队热诚欢迎博士后、博士研究生、工程师报考/加入课题组（https://www.x-mol.com/groups/wu_fan/people/8037 ）。来信请联系：fwu@iphy.ac.cn。