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【淬砺成材】张静/游才印/王健/蔺洪振Adv. Sci.:肖脱基缺陷调控4f电子结构促进锂扩散实现无枝晶锂电池

【来源: | 发布日期:2022-07-05 】

金属锂基电池因其高比容量(3860 mA h g-1)和较低的标准电压(-3.04 Vvs.SHE)而备受关注。然而,锂金属电池的实际应用仍然面临严峻的挑战,如锂离子溶剂化后的不可控沉积导致锂枝晶生长,体积膨胀致使SEI的反复破裂和修复会不断消耗电解液,使电池的循环寿命缩短甚至出现严重的安全问题。基于此,我院游才印教授团队青年教师张静博士与中科院苏州纳米所蔺洪振研究员及德国亥姆赫兹电化学研究所王健博士(现为洪堡学者)合作,从表界面功能化角度出发,采用肖脱基缺陷调控氧化铈的4f中心电子结构(SDMECO@HINC),优化Li+去溶剂化和Li+扩散沉积,制备出无枝晶长寿命的锂金属电池。研究成果以“Tuning 4f-center Electron Structure by Schottky Defects for Catalyzing Li Diffusion to Achieve Long-term Dendrite-free Lithium Metal Battery”为题发表在国际知名期刊Advanced science。

利用缺陷调控催化剂的本征电子结构,提升催化活性。采用肖脱基缺陷调控氧化铈的4f中心电子结构(SDMECO@HINC),产生大量活性位点提升其催化活性。SDMECO@HINC在Li去溶剂化和Li扩散动力学方面表现出了优异的电催化活性,平滑锂镀层实现了无枝晶长寿命(1200 h)的锂金属电池(图1)。

图1肖脱基缺陷调控氧化铈4f中心电子结构实现无枝晶镀锂

通过氧化铈4f中心电子重构调控锂离子动力学,实现无枝晶化锂沉积。通过水热法结合高温热还原引入肖特基缺陷,会使催化中心的电子态发生显著变化(图2)。随后,4f电子态与Li原子相互作用后通过电荷转移得到了显著的恢复,有效地促进了从溶剂化的Li+中生成自由的Li+,以实现均匀锂沉积(图3)。

图2 SDMECO@HINC复合材料的合成、形貌特征及4f电子重构过程

匹配锂硫全电池获得高倍率和稳定的循环性能。SDMECO@HINC-Li电极与硫正极匹配的Li-S全电池表现出优异的倍率性能(5 C,653 mA h g-1)和高容量保持率(81.4%,3 C),并实现了高能量密度(2264 W h kg-1)软包电池的初步应用。这项工作提供了一种通过调节催化剂的本征电子结构提升催化活性获得长寿命锂电极的新策略。

图3 4f电子重构的SDMECO@HINC膜层对锂沉积行为的调控作用

近期,我院青年教师张静博士通过引入催化剂/活化剂降低锂离子/原子扩散势垒,显著提高锂动力学行为及加快多硫化物的转化,获得较长的锂电池循环寿命;利用缺陷工程实现催化剂内部电子再分配、产生本征活性位点或协同位点提升催化活性。这一系列的研究成果先后发表在Chem. Eng. J.2019,368,340;J. Mater. Chem. A2020, 8, 22240;Nano Lett.2021, 21, 3245等国际知名期刊上;并受期刊邀请撰写关于锂电池缺陷/单原子高活性催化研究进展的综述:Energy. Environ. Mater.2021, DOI: 10.1002/eem2.12250;Adv. Energy Sustainability Res.2022,2100187。以上工作得到了国际合作与交流项目、国家自然科学基金、陕西省国际科技合作重点项目及陕西省自然科学基础研究计划等基金项目的支持。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202202244,DOI: 10.1002/advs.202202244