深圳大学米宏伟课题组 Nano letters：溶剂筛选和界面修饰解锁4.9V固态锂金属电池
【文章信息】
溶剂筛选和界面修饰解锁4.9V固态锂金属电池
第一作者：仇斌、徐峰、黄洁
通讯作者：米宏伟
单位：深圳大学
【研究背景】
固态聚合物电解质（SPEs）以其优异的力学性能和界面相容性受到了广泛的关注。然而，聚合物固态电解质本征离子电导率较低，无法保证固态锂金属电池正常工作。同时，聚合物固态电解质较低的电化学稳定窗口限制了其在高截止电压下的应用。因此，本文深入探究电解质结构优化和电极界面的微观动力反应机制对于开发高能量密度的锂金属电池的重要性，并为开发高压锂金属电池提供了新思路。
【文章简介】
近日，来自深圳大学的米宏伟课题组在国际知名期刊 Nano letters上发表题为：“Unlocking 4.9 V Quasi-Solid-State Lithium Metal Battery via Solvent Screening and Interfacial Manipulation”的文章。该文提出一种溶剂筛选和界面修饰的策略，为开发超高截止电压锂金属电池提供了新见解。
图1. 聚合物电解质对于固态锂金属电池正负极的作用机制。
【本文要点】
要点一：聚合物固态电解质的中等极性溶剂筛选策略
高介电常数的极性溶剂（如碳酸乙烯酯，EC；碳酸丙烯酯，PC）有助于锂盐的解离，却限制了聚合物电解质的分解电压；低介电常数和高供体（Donor）数的非极性溶剂不利于锂盐的解离，降低了聚合物电解质的离子电导率；高结合能的溶剂不利于脱溶剂化。本文借助DFT计算筛选出中等极性溶剂磷酸三甲酯（TMP）作为聚合物电解质的液态增塑剂，促使聚合物电解质（SPE-TMP）的离子电导率达到1.05×10–4 S cm–1。
图2.聚合物固态电解质中溶剂筛选的一般性策略。
要点二：固态锂电池优异的电化学性能
基于SPE-TMP组装的Li|Li对称电池在0.1 mA cm–2电流密度下循环寿命超过2000 h。SPE-TMP的电化学窗口高达5.16 V，是目前报道的抗氧化性能最好的电池之一。通过将截止电压从4.5 V提高到4.9 V，比容量显著提升了27.7％，充分体现了商业化应用的前景。
图3. 聚合物电解质组装的对称电池的电化学性能
图4. 聚合物电解质组装的全电池的电化学性能
要点三：聚合物固态电解质/正极稳定界面
采用原位EIS、原位XRD等原位表征技术结合不同截止电压下的XPS深度蚀刻分析，确定了NCM811正极界面处离子传输动力学机制。富含LiF、LiPFxOy和有机组分的梯度分布的固态电解质界面相（CEI）是4.9 V下正极结构完整的主要原因；同时，电极和电解质的DFT计算和COMSOL模拟为准固态LMBs在4.9 V截止电压下的稳定性能提供了理论可行性。
图5. 4.9 V高压固态锂金属电池界面微观动力学性质探究
图6. 4.9 V高压固态锂金属电池界面组分深度剖析
【文章链接】
Unlocking 4.9 V Quasi-Solid-State Lithium Metal Battery via Solvent Screening and Interfacial Manipulation
doi: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01453
【通讯作者简介】
米宏伟， 女，博士，特聘研究员，深圳大学博士生导师，深圳市海外高层次人才，深圳市后备级人才。担任《粉末冶金材料科学与工程》特聘编委，《Rare Metals》、《Energy Materials and Devices》和《无机盐工业》青年编委，IEEE PES 储能技术委员会委员，中国化工学会会员。2006年毕业于华南理工大学获硕士学位，2014年毕业于中国地质大学(武汉)获博士学位，2019年在美国佐治亚理工学院林志群教授课题组访问交流1年。
目前主要从事微纳材料的离子、电子输运特性研究及其在光催化方面和二次电池中的应用。先后主持了国家自然科学基金面上项目及青年基金、广东省自然科学基金项目和深圳市基础研究项目等，在国际重要学术期刊发表SCI论文110余篇，总引用4200余次，其中，以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Catal.、Appl. Catal. B-Environ.和Nano Energy等国际著名学术期刊发表SCI论文48篇；已获授权发明专利9项，荣获广东省科学技术进步奖二等奖2项，广东省自然科学奖二等奖1项，参编著作1部。课题组长期招聘博士后，欢迎咨询([email protected])。
【第一作者介绍】
仇斌，深圳大学化学与环境工程学院硕士研究生（已毕业），目前在北京化工大学攻读博士学位，主要研究方向为功能性添加剂对二次离子电池电解质的改性及界面调控。
徐峰，深圳大学化学与环境工程学院硕士研究生，主要研究方向为功能性添加剂对固态锂金属电解质的改性。
黄洁，深圳大学化学与环境工程学院硕士研究生，主要研究方向为高压聚合物固态电解质的制备及其性能研究。
【课题组招聘】
团队长期招聘博士、博士后。研究方向包括但不限于新能源材料、新能源器件，固态电解质的制备及应用，光催化（光催化水分解、光催化固氮等），计算化学等。详情欢迎咨询([email protected])。
课题组主页：https://chem.szu.edu.cn/szdw/jxdanwe/hxx/fjs/mhw.htm