张会刚、李爱东等在原位构筑锂金属人工SEI膜研究上取得重要进展

chandler

锂离子电池推动着便携式电子设备和电动汽车的发展，但电动汽车续航里程仍不能满足人们的出行需求，具有更高能量密度（3860 mAh g-1）和低还原电位（-3.04 V，标准氢电极）的锂金属电池引起人们广泛的关注。然而，不均匀的锂沉积导致了锂枝晶的形成和较低的库仑效率，严重阻碍了锂金属电池的实际应用。
        近日，南京大学现代工学院提出了在锂金属上利用多环芳烃（PAHs）原位构建π-π 堆积的有机-无机杂化层作为人工固态电解质界面（SEI）膜策略。
        这项工作通过引入了烷基链以增加 PAH的溶解度，并最终通过与锂金属的原位反应打断烷基链，原位生成了平行π-π堆叠的二羟基蒽酮紫（DHV，一种多环芳烃）分子构筑的人工SEI膜,从而得到 DHV 保护的锂金属负极。 使用傅里叶变换红外光谱、气相色谱、XPS深剖等分析手段对反应机理和SEI膜构成进行了深入研究。原位形成的杂化的人工SEI膜可以为锂金属提供机械支撑并抑制锂枝晶的形成，防止了电解质的分解，显著改善了锂金属负极的库伦效率和循环性能。使用DHV保护的锂金属的对称电池可以在 4 mA cm-2和4 mAh cm-2下循环 1000 小时，显示出优异的循环性能和2000 mAh cm-2的高容量累积。通过与高负载 LiFePO4正极（2.8 mAh cm-2）和低 N/P =2 的DHV保护的锂金属（30 μm厚）匹配的全电池，可实现 300 圈的长循环性能，每圈约0.03%的较低容量衰减率和 99.8% 的高库伦效率。 此项工作为在分子尺度上使用其他功能化的多环芳烃，应用于锂金属负极形成稳定的有机-无机杂化人工SEI膜，提供了一种启示。原位合成人工SEI策略也适应于实际情况下锂离子电池的工业化应用，并为解决锂和其他金属负极枝晶问题提供契机。

图 1. 锂沉积过程和 SEI膜形成示意图：(a) PAHs 和混合 SEI膜的形成过程示意图；(b)空白组，锂金属在铜箔上枝晶生长的示意图；(c) VO79和Li反应机理

图 2. 锂负极表面的形态分析。 (a, c) 不同电解质中锂沉积形态的俯视和 (b, d) 横截面 SEM 图像：(a, b) 裸锂，(d, e) DHV-Li

图 3. 裸锂和 DHV-Li 电极的电化学特性。(a) 在 0.5 mA cm-2和 1 mAh cm-2的不同电解液中充放电过程中锂的库伦效率，通过充电至 1.0 V vs Li+/Li 的截止电压来电沉积锂；(b) 在 0.5 到 5 mA cm-2的不同电流密度下的倍率性能；(c) EIS图谱；(d) 4 mA cm-2 和4 mAh cm-2；(e) 0 °C 5 mA cm-2和1 mAh cm-2和 (f, g) 0.5 mA cm-2和 1 mAh cm−2处的时间-电压曲线

       以上成果以In Situ Formation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons as an Artificial Hybrid Layer for Lithium Metal Anodes为题发表在国际期刊Nano Letter，https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c0362。论文的第一作者为南京大学现代工程与应用科学学院2020级博士生昌绍忠，通讯作者为南京大学现代工程与应用科学学院的张会刚、李爱东教授和美国阿贡国家实验室陆俊、Khalil Amine教授。
       本工作得到了国家自然科学基金(52073142, 51721001, 22075131，51802150)、江苏省自然科学基金(BK20201252)等项目的支持。同时，本工作得到南京大学化学化工学院成义祥教授和现代工学院胡勇教授的帮助。


         文章来源：南京大学
      李爱东,南京大学教授。1988年在浙江大学化工系获学士学位。1988－1994年在哈尔滨工业大学应用化学系工作，1993年获得化学系硕士学位。1996年获南京大学物理系理学博士学位。1996年至今，在南京大学材料系工作，从事科研和教学工作。2000年香港理工大学的访问学者，2005年加州大学伯克利分校访问学者。主持和参与了国家自然科学基金、“973”、教育部、江苏省和与国外公司的合作项目等多项课题。已在国际学术期刊上发表SCI论文130余篇，其中Appl. Phys. Lett. , J. Appl. Phys. Chem. Mater., J. Mater. Chem., J. Phys. Chem. C 35篇。论文被国际同行他引已超过600篇次，获得中国发明专利14项。入选教育部新世纪优秀人才计划和江苏省“333高层次人才培养工程”。2001年香港理工大学访问学者，2005年美国加州大学伯克利分校访问学者。获得国家自然科学二等奖一项，教育部提名国家自然科学奖一等奖一项，中国分析测试协会科学技术奖"CAIA"一等奖一项。现在的研究方向为1）信息存储材料与器件；2）原子层沉积原理及其应用；3）化学法制备科学：湿化学法和金属有机气相沉积法以及自聚集制备科学。     招收培养研究生情况以及学生获得的荣誉:培养硕士12人，博士6人，博士后2人，获得江苏省优秀硕士论文一篇（高远2007），1人获得第一届国际ALD应用会议暨第二届中国ALD学术交流会议最佳张贴论文一等奖（曹燕强2012）。
       张会刚教授2007年在UIUC材料科学与工程系从事博士后研究工作，科研内容主要集中在“热光伏”，“电催化”和“三维结构化电极在锂离子电池上的应用”方面。2012年获得商业投资成了基于本人专利技术的高科技创业公司(Xerion Advanced Battery Corp.)，并在公司担任Senior Scientist职位，研发拥有高能量密度和高功率密度锂离子充电电池。张会刚博士在Nature子刊，Nano Letters等期刊发表多篇文章，申请美国及世界专利3项。2013年入选中央组织部第五批，2014年加入现代工程与应用科学学院能源科学与工程系，研究方向主要是化学储能和电催化。