北理工黄佳琦特别研究员、中科院物理所李泓研究员和清华张强教授合作在电子/离子混合导体界面设计用以保护金属锂负极方面取得重要进展
日前，北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦特别研究员和中国科学院物理研究所李泓研究员、清华大学化工系张强教授合作研究在电子/离子混合导体界面设计用以保护金属锂负极方面取得重要进展。该研究通过化学液相法在锂电极的表面构筑混合的离子导体和电子导体双连通界面来实现电池高效利用和长续航寿命，开拓了人工界面层保护电极的新思路和新方法。相关研究成果2018年9月27日在线发表于《先进材料》，题目为“An Armored Mixed Conductor Interphase on a Dendrite-Free Lithium-Metal Anode”。该工作第一单位为北京理工大学，通讯作者为北京理工大学黄佳琦特别研究员、中国科学院物理研究所李泓研究员、清华大学张强教授。第一作者为前沿交叉院/材料学院博士研究生闫崇，并列第一作者为清华大学程新兵博士。
电池在移动能源储存和利用中发挥着重要作用，目前在锂离子和锂金属固态电池的研究中，电极界面特性的差异直接影响到电池的安全性、耐久性和电压特征。电池中的界面一般存在形式为固-固界面，固-液界面：固固界面是电极材料颗粒之间的接触产生，固液界面是电极与电解液的接触产生。实现稳定电极界面的科学设计和合理构筑是锂电池研究领域的一项关键课题。
图1 离子/电子导体混合导体界面的锂离子输运示意图
该团队通过化学液相反应法，在金属锂电极表面设计了具有高杨氏模量、快速离子传输特性的离子/电子混合导体界面层（Mixed conductor interphase，简称MCI）。MCI层作为固液界面层（Solid electrolyte interphase，SEI）和金属锂电极之间的过渡层，在具有高离子导率的同时兼顾一定的电子导率。MCI层（图1）中离散分布的铜原子打破了相对长程有序的晶体结构，形成了更多的晶界和多晶区域缺陷（图2），保证了锂离子在界面层中的快速传导，微弱的电子导率为锂离子在界面层中的迁移提供了迁移电场作为驱动力，对于定向引导锂离子输运具有重要价值。
图2 混合离子/电子导体界面层与纯离子导体界面层TEM图
MCI保护界面的金属锂负极用在匹配镍钴锰三元正极（NMC532）的全电池中，电池的平均库伦效率达到了99.8 %；电池的续航能力和稳定性也被显著提升，相比于传统的电极界面中电池经过100次循环后容量降低到50 mAh g-1，具有MCI保护层界面的电池在0.5 C （2小时充满额定容量）充放电倍率下，经过500次循环容量依然维持在50 mAh g-1，将电池的寿命延长了5倍。
图3 MCI保护层下镍钴锰三元（NMC532）锂电池电化学性能
与研究人员长期以来对于界面的认知不同，MCI保护层的提出在电极界面保护具有示范意义，突破性的提出了构建离子/电子混合过渡界面来实现离子的快速定向运输，该研究工作得到审稿人的高度评价，认为MCI过渡界面层的提出有助于完善对电极界面的完整认识，为界面设计和保护提供新的思路和方向。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.201804461
来源：北京理工大学
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