东北师大 吴兴隆AFM：超长寿命的低温双离子电池！

第一作者：Li Wen-Hao通讯作者：吴兴隆单位：东北师范大学
背景介绍
双离子电池（DIBs）具有能量密度高、成本低、环境友好等优点，有望实现大规模储能。然而，在锂-石墨双离子电池体系中，石墨正极在5 V高压下伴随着阴离子脱/插层和电解液分解会导致石墨失活，同样锂负极枝晶的生长，会导致镀锂/剥离的可逆性差。因此，正极和负极的界面稳定性差是锂-石墨双离子电池循环性能差，甚至储能失效的主要原因。针对以上问题，修饰与调控正负极/电解质界面，构建电化学稳定的SEI和CEI，是提高双离子电池性能的关键因素。
成果简介

作者采用了双管齐下的策略来提高电极/电解液界面稳定性，在锂负极上构建3D框架的同时，设计刚柔并济的表面保护层来稳定石墨正极。对组装的锂-石墨双离子电池进行电化学测试，结果表现出稳定的长循环寿命(2700次循环后容量保持率为80%，200 mA⁻¹)，并且在−25 ~ 40℃范围内，都可以正常工作。相关成果以“All-Climate and Ultrastable Dual-Ion Batteries with Long Life Achieved via Synergistic Enhancement of Cathode and Anode Interfaces”为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。论文的第一作者为Li, Wen-Hao，通讯作者为东北师范大学吴兴隆教授。

图文介绍

图1（a）Li-G DIBs中存在的问题和双管齐下的优化策略；（b）经过正极修饰（CM）、负极修饰（AM）、正负极协同修饰（SE）和未修饰（PG）的Li-G DIBs的循环性能对比。

图2（a）石墨（PG）的TEM图像；（b）氧化铝包覆石墨（PG@Al₂O₃）的TEM图像；（c-f）PG@Al₂O₃的能谱图；（g）Al₂O₃包覆石墨前后的XRD表征；（h）静电纺丝纤维（ESF）的SEM图像；（i）ESF的XRD表征。

图3（a）SE前8圈的CV曲线；（b）PG前8圈的CV曲线；（c）PG和SE循环200圈后的EIS对比；（d）PG和SE循环600圈后的EIS对比；（e）PG和SE的扩散系数；（f）PG和SE的赝电容贡献对比；（g）SE在不同扫速下的CV曲线；（h）PG在不同扫速下的CV曲线。

图4（a）PG和SE在不同温度下的倍率性能对比；（b）PG和SE在不同温度下的库伦效率（CE）对比；（c）PG和SE在不同温度下的循环容量保持率；（d）PG和SE在不同温度下的恒流充放电曲线对比。

图5（a）SE和PG的正极极片（SE-C、PG-C）循环200圈后的F 1s谱图；（b）SE-C和PG-C循环600圈后的F 1s谱图；（c）PG-C循环600圈后的TEM图像；（d）SE-C循环600圈后的TEM图像；（e）SE-C和PG-C在-15°C、0°C、25°C、40°C下循环200圈和600圈后LiF的含量；（f）SE-C和PG-C在-15°C、0°C、25°C、40°C下循环200圈和600圈后的Li_xPF_yO_z的含量；（g）SE-C和PG-C在-15°C、0°C、25°C、40°C下循环200圈和600圈后的Li元素含量；（h）SE-C和PG-C循环600圈后的XRD对比。

图6（a）SE和PG的负极极片（SE-A、PG-A）循环600圈后的F 1s谱图；（b）SE-A和PG-A循环600圈后的F元素含量；（c）SE-A和PG-A对称电池循环稳定性对比；PG-A循环600圈后的俯视（d）和截面（g）SEM图像；SE-A循环600圈后的俯视（e）和截面（h）SEM图像；ESF循环600圈后的俯视（f）和截面（i）SEM图像。

图7（a）定量锂预先沉积的ESF替代锂箔的双离子电池工作示意图；以及相应的倍率性能（b）和（c）循环性能。

总结展望

通过对阳极和阴极界面的改造，使得LG-DIB的性能得到了成功改善。

石墨阴极上的惰性涂层明显缓解了高电压下的电解质分解，并有助于保持石墨结构的完整性，从而减少石墨阴极的极化。同时，在锂上构建了一个三维框架，以诱导均匀的锂沉积，而该框架中的空隙缓解了锂的体积膨胀。因此，在循环之后，锂的界面仍然是光滑的，而且只形成了有限的AEI。

此外，这种双管齐下的策略提高了电池在所有气候温度范围内的性能，特别是在低温下。最后，DIB的实际可行性在一个只使用有限数量的锂预装在三维框架上的电池中得到了证明。由于电极反应基本上都发生在界面上，提高界面的稳定性可以有效促进循环寿命。这些结果进一步验证了仅靠界面优化就能大大改善电极反应的稳定性。这种策略可用于克服新电池系统设计中的某些挑战。

通讯作者简介

吴兴隆教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”青年学者、吉林省拔尖创新人才等。主要从事电池储能材料、废旧锂电回收与再利用等研究工作。提出了电极材料中大尺寸阴/阳离子稳定化脱嵌新途径并阐明了其工作机制；发展了高效电荷传导网络的构筑新策略，开发了系列高性能电极材料；提出了废旧锂电池电极材料的绿色再利用新思路。已在《Adv. Mater.》、《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Energy Environ. Sci.》、《Adv. Energy Mater.》和《Sci. Bull.》等学术期刊发表通讯作者论文130多篇；发表论文被他人引用超过13000次，H指数为60；已获授权发明专利17项；主持了国家自然科学基金委重大研究计划和吉林省省科技厅等十余项研究课题。曾获得教育部自然科学研究成果一等奖和中国科学院科技成果转化二等奖等。培养的学生中，已有2人获得“博新计划”、6人获得省级优秀博/硕士学位论文、30多人次获得校优秀毕业生、国家奖学金等奖励和荣誉。

 文章信息 

All-Climate and Ultrastable Dual-Ion Batteries with Long Life Achieved via Synergistic Enhancement of Cathode and Anode InterfacesAdvanced Functional Materials ( IF 18.808 ) Pub Date : 2022-02-14 , DOI: 10.1002/adfm.202201038Wen-Hao Li, Yue-Ming Li, Xin-Fang Liu, Zhen-Yi Gu, Hao-Jie Liang, Xin-Xin Zhao, Jin-Zhi Guo, Xing-Long Wu

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202201038

文章整理自：高低温特种电池、化学与材料科学、电化学能源

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