华中科技大学黄云辉教授、袁利霞教授教授EnSM：气相二氧化硅调节锂离子束流，用于贫液无负极锂硫电池

文 章 信 息

气相二氧化硅调节锂离子束流，用于贫液无负极锂硫电池第一作者：廖亚祺通讯作者：袁利霞*，黄云辉*单位：华中科技大学

研 究 背 景

锂硫电池体系通常使用过量的电解液和金属锂，这大大降低了锂硫电池的实际能量密度。无负极锂硫电池是一种高能量密度电池体系。但是没有持续的锂和电解液补充条件下，电池内部的副反应持续消耗可用的锂和电解液，无负极的电池循环寿命很短。因此，需要采用合理的措施，抑制电池的副反应，延长无负极电池的循环寿命。

文 章 简 介

基于此，来自华中科技大学的黄云辉教授与袁利霞教授教授，在国际知名期刊Energy Storage Mater.上发表题为“Low-cost Fumed Silicon Dioxide Uniform Li⁺ Flux for Lean-Electrolyte and Anode-free Li/S Battery”的研究性工作。该工作利用少量气相二氧化硅来调节电池内部锂离子束流，引导均匀平滑的锂沉积。同时，SiO₂诱导高质量的SEI形成，抑制金属锂和电解液的副反应。贫液且无负极的锂硫电池循环性能得到较大提高。

本 文 要 点

要点一：锂离子束流对负极形貌的影响一般情况下，电极表面并不绝对平整，且存在对流和浓度梯度。这使得锂离子束流变得非常不均匀，容易造成锂枝晶的生长。而微量SiO₂引入到电解液中，锂离子会自发性吸附在其表面，并在电极/电解液界面泵动式输运锂离子，从而实现均匀锂沉积。此外，SiO₂还会填补在锂坑中，达到自修复效果。得益于SiO₂与TFSI阴离子的路易斯酸碱作用，锂表面形成一层富含Li₃N的SEI层，抑制了金属锂和电解液的副反应。
要点二：理论计算证明自吸附过程和均匀锂离子束流使用DFT计算电池内部的锂离子浓度梯度，结果表明：引入SiO₂后，电池内部锂离子浓度梯度降低，可以迅速补充消耗的锂离子。EML电荷分布证明:SiO₂和锂离子之间的连接倾向于一种类似离子键形式。DFT计算结果表明：Li⁺在SiO₂表面的结合能更大，扩散势垒更小，有助于迅速的离子补充。
要点三：原位测试佐证理论计算结果原位拉曼测试结果证明：在锂沉积过程中，SiO₂保证电极/电解液界面离子浓度维持相对稳定；原位光学显微镜测试表明：锂在含SiO₂的电解液中沉积更加致密；AFM测试结果表明：SiO₂诱导更加光滑的沉积锂。这一系列测试结果与理论计算结果相吻合
要点四：循环前后锂形貌和组分分析沉积4 mAh cm^-2的锂，0.5% SiO₂引入可以诱导最均匀的锂形貌。截面上观察，锂的厚度只有26um，致密度高达77%。
XPS结果表明：SiO₂可以引导富含Li₃N的SEI形成。
要点五：贫液无负极锂硫扣式电池和软包锂硫电池电化学性能SiO₂引入后，贫液无负极锂硫电池循环稳定性得到较大改善，可以稳定循环200圈，容量保持率在50%。在S载量为4 mg cm^-2, E/S 比为7 ul mg^-1, 和 N/P比为3 的严格测试条件下，软包锂硫电池依然能稳定循环200圈。通过电池超声检测，SiO₂抑制了电池内部的副反应，改善了电池的产气问题。

文 章 链 接

Low-cost Fumed Silicon Dioxide Uniform Li⁺ Flux for Lean-Electrolyte and Anode-free Li/S Batteryhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829722001726#sec0016

通 讯 作 者 简 介

黄云辉 教授   华中科技大学教授，博士生导师，2010-2017年任材料科学与工程学院院长，现为校学术委员会副主任，同济大学兼职教授；国家杰出青年科学基金获得者，新世纪百千万人才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者。在北京大学获得学士、硕士和博士学位，先后在复旦大学、日本东京工业大学、美国得州大学奥斯汀分校工作或从事博士后研究。曾师从高小霞先生和徐光宪先生从事电分析化学和稀土无机化学研究，2004-2007年师从诺贝尔化学奖得主John B. Goodenough教授从事锂离子电池和固体氧化物燃料电池研究，2008年回国工作。主要研究领域为新能源材料与器件，包括锂离子电池、下一代电池（锂硫电池、锂空气电池）、钠离子电池、固体氧化物燃料电池，在Science、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等期刊上发表学术论文400余篇，论文被引用3万次，H-因子84，入选科睿唯安材料领域全球高被引科学家（2018、2019）和爱思唯尔中国高被引学者（2018、2019），授权或公开专利40余件。2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖（均排1）。
袁利霞 教授  华中科技大学教授。2001年本科和2006年博士毕业于武汉大学，师从杨汉西教授和艾新平教授。目前研究方向为：锂硫二次电池充放电机制；中间产物的鉴定与调控；电解液的组成和功能；具有特殊纳米结构的硫基复合正极材料的构筑；高能量密度锂硫全电池设计等。主持国家自然科学基金面上项目（2）项。入选科睿唯安材料领域全球高被引科学家（2021）

课 题 组 介 绍

动力与储能电池实验室成立于2008年，以华中科技大学材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为依托，实验室现有教授(博导)4名、副教授2名、讲师1名、博士后8名、在读博士研究生20名、硕士研究生20余名。研究方向主要包括锂离子动力与储能电池、下一代电池、固体氧化物燃料电池以及关键材料等。实验室承担了国家杰出青年基金科学项目、国家自然科学重点、面上及青年基金、科技部863项目、国际合作项目以及企业横向课题等；实验室共发表论文400余篇，其中IF大于10的论文140余篇、ESI高被引论文50余篇、热点论文10篇，引用2.5万余次，授权和公开发明专利30余件。锂离子电池正极材料、电池快充关键技术、电池健康状态超声检测技术及设备等一批成果已实现成果转化和应用。实验室成立十年来，共培养博士和硕士研究生100余名，其中已毕业的博士研究生中80%赴美国、欧洲等（如麻省理工学院、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、佐治亚理工大学、得州大学奥斯汀分校、马里兰大学等）从事博士后研究，目前已有12人晋升为教授，获国家青年人才计划6人。“储能用高性能复合电极材料的构筑及协同机理”获2015年教育部自然科学一等奖和2016年国家自然科学二等奖。

课 题 组 主 页

http://sysdoing.mat.hust.edu.cn/index.htm

课 题 组 招 聘

动力与储能电池实验室因研究发展需要，现面向国内外公开招聘若干名硕士研究生和博士研究生，具体要求如下：能吃苦耐劳，踏实认真，责任心强，具有良好的学术道德和严谨的科学态度，身心健康，具有良好的沟通能力和独立开展科研工作的能力，对学术有追求和钻研精神，有团队合作精神。本实验室每年可招收8-10名硕士研究生和4-5名博士研究生（推免生限211或985高校学生，学院规定）。欢迎材料、化学、物理等背景的同学联系报考。其它理工科背景的同学，如果对新型能源材料与器件有兴趣、有研究热情，我们也同样欢迎。可联系课题组任何一位老师，欢迎随时来实验室参观交流。

文章来源：科学材料站

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