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浙江大学范修林教授做学术报告

  • 发布作者:长三角物理研究中心
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  •   2019年10月18日,浙江大学范修林教授应邀到访中科院物理所长三角研究中心(简称“中心”)和天目湖先进储能技术研究院(简称“研究院”),进行学术交流。

      18日下午,范修林教授首先参观了研究院测试分析中心、失效分析中心、工艺工程中心及硫化物固态电池实验室。随后,范修林教授在研究院作了题为《原位固体电解质界面层的构建及其对高能量密度电池性能的影响》的专题报告。此次报告为“长三角物理研究中心国际学术交流论坛”暨“天目湖物理科学讲坛”系列报告之一。该系列报告旨在邀请电化学领域知名专家到访溧阳,与中心、研究院、天目先导、中科海钠及其他企事业单位的博士、硕士、工程师及相关研发人员一起共同探讨学术研究成果、促进交流;进一步提升溧阳在储能领域的影响力及竞争力。

      此次报告范修林教授首先从锂(离子)电池电解液的发展历程开始,阐明电极界面及相关电解液在锂离子电池中起至关重要的作用,针对现有碳酸乙烯酯(EC)电解液的缺点提出要开发新的电解质并优化电极界面,围绕这一目标,范修林教授从以下几方面开展了详细的讲解:FluorinatedElectrolytes(氟化电解液),DecoupledElectrolytes(去耦合电解液),FluorinatedInterphases(氟化界面)。首先,在FluorinatedElectrolytes(氟化电解液),开发了一种新型阻燃电解液,在酯基溶剂分子中引入氟化官能团,其具有正极一侧稳定窗口>5.6V、对金属Li可逆沉积库伦效率>99.2%以及完全不可燃的优势,对该新型电解液具有这一优势进行了机理研究与解释,并在4.4VNCM811|Li和5VLiCoPO4|Li电池体系中进行了验证。进一步,范修林教授在相同正极NCM811、不同的负极(10倍过量Li负极、Si负极和SiLi负极)中对比了采用氟化电解液的循环性能,发现NCM811|SiLi体系大幅提升了循环寿命;并就这一结果从SEI成膜和Li沉积/剥离路径角度,结合电化学、分子动力学计算和原位TEM等手段进行了机理详解。然后,在DecoupledElectrolytes(去耦电解液)方面,基于氟化电解液的研究基础,将氟化电解液溶解于非极性的高稳定性溶剂中,降低了溶剂分子与Li+之间的作用力、提高了Li+在电解液体系中的迁移数、降低了Li+脱溶剂能垒,并大幅拓宽了电池的工作温度区间。第三,在FluorinatedInterphases(氟化界面)方面,通过优化改进锂离子的溶剂化结构,在普通酯基电解液中实现了利用阴离子基团分解替代溶剂分解形成更稳定的SEI/CEI,将电解液稳定窗口从4.3V拓宽至5.0V以及对金属锂的可逆沉积库伦效率>99.2%。采用高盐浓度LiFSIEC/DMC体系,相比普通商用电解液来说,几乎所有溶剂分子与Li+结合,阴离子FSI-被还原,生成氟化锂界面,有效抑制锂枝晶生长。然而,想要从根本上解决锂枝晶带来的安全问题,需要采用固态电解质。在所有报道的固态电解质中,对Li的极限电流密度均<2mA/cm2。范修林教授总结了不同电解液和固态电解质的离子电导率和电子电导率,总结出低的电子电导对界面稳定至关重要,Li3PS4、LGPS和LLZO相对其他电解质来说电子电导较高,对Li界面不稳定。在LPS与Li界面之间引入氟化锂界面,类似于电解液中形成的SEI,可以极大地提升对Li的稳定性,提升Li|LPS|SS的库伦效率,通过XPS测试分析表明,单纯LPS与Li会发生界面反应生成高电子电导的Li3P,而引入LiF-rich界面后,阻止了LPS与金属Li的反应。因此,范修林教授指出,固态电解质较高的本征电子电导以及原位生成的具有更高电子电导组分是锂枝晶产生的根本原因。***后,范修林教授总结:PC基电解液的开发使得正极材料可以测试(1950s-1980s),EC基电解液的开发使得目前LIBs商用(1980s-至今),Ether电解液的开发使得Li-S快速发展(2000s-至今),Grignard-based电解液的开发使得Mg电池得以发展(2000s-至今),因此,新的电池体系必要要求开发新的电解液(电解质)与之匹配。

      讲座结束后,在座听众与范修林教授进行了进一步深入交流学习,此次讲座使得现场听众在氟化电解液以及设计氟化界面方面深受启发。

      范修林教授简介:2007年本科毕业于浙江大学材料科学与工程系,2012年博士毕业于浙江大学材料科学与工程系。之后,在美国马里兰大学从事博士后研究,2017年4月晋升为助理研究科学家(AssistantResearchScientist)。2019年入选国家海外高层次人才引进计划,2019年8月加入浙江大学材料科学与工程学院担任“百人计划”研究员。主要从事二次电池(包括锂离子电池、钠离子电池以及储氢材料等)等能源存储器件的界面工程及相关电解液的设计研究,以***作者或通讯作者身份在NatureNano.,NatureEnergy,NatureCommun.,ScienceAdv.,Joule,Chem,EES等期刊发表多篇论文,H因子=41。研究成果先后被C&EN,ScienceDaily,Engineering360,R&Dmag,人民网等国际知名媒体报道,受到广泛关注。