武汉理工麦立强教授、赵焱教授、许絮副教授最新SCI：环形磁场调控锂离子运动构筑三维SEI结构用于锂金属电池

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文章信息

第一作者：李岩 肖曼杰

通讯作者：麦立强，赵焱，许絮

单位：武汉理工大学

研究背景

由于锂离子嵌入的电化学原理，锂离子电池存在能量密度低的缺点，限制了便携式电子设备和电动汽车的进一步发展。因此，为了满足更高能量密度的要求，人们普遍认为锂金属电池有足够的潜力成为新一代储能系统。锂金属负极具有较高的理论容量和较低的氧化还原电位，被称为电池材料的“圣杯”。然而，锂金属电池循环过程中的两个严重问题阻碍了其进一步商业应用。首先，电解液与锂金属接触产生的SEI膜中的有机成分容易破裂，导致锂金属与电解液再次接触，使SEI的生成不受限制。这将导致锂源的持续损失和锂金属电池的容量快速衰减。其次，锂枝晶的快速生长会刺穿隔膜并造成短路，导致严重的安全问题。为了解决这两个问题，近年来，许多工作集中在三维集流体、电解液添加剂和人工SEI膜上。然而，这三种解决方案都引入了新的电池构成组件，增加了电池成本和重量，不利于锂金属电池的商业化。并且大多数研究人员认为，自然形成的SEI不利于锂金属电池的循环性能。然而，“天然”SEI中的LiF等无机成分已被证明具有良好的机械强度和锂离子电导率。如果残余SEI的这些特性可以用于引导锂离子的运输和沉积，那么它将允许我们“变废为宝”。

文章简介

近日，武汉理工大学麦立强教授课题组在《Cell Report Physical Science》上发表题为“Three-dimensional SEI framework induced by ion regulation in toroidal magnetic field for lithium metal battery”的文章。该工作的要点如下：

（1）基于环形磁场的特殊性，本文提出两个新理论有助于形成平坦致密的锂沉积：“慢离子扩散效应”和“锂离子无序均匀化效应”。

（2）超致密的锂沉积和集流体表面高浓度的阴离子可以促进三维SEI骨架（3DSF）的形成。这种3DSF具有很强的离子电导率和机械强度，可以引导金属锂在去除磁场后仍在通道中以均匀梯度生长。

（3）环形磁场的作用在于构建一个稳定合适的3DSF，因此在接下来的测试中移除磁场也能够保持循环稳定性，因此在从商业化的角度来看，此改进成本几乎为0.

（4）该3DSF可以在50 mA/cm²的高电流密度下实现1300个循环。具有3DSF的锂|铜电池在100个周期内显示出99.0%的库仑效率，并且在150个周期后，与LFP（18.3 mg/cm²）配对的电池的容量在1 C条件下保持98.2%。

图文解读

图1不同磁场条件下锂沉积/剥离行为示意图

（a, b） 无磁场的锂沉积/剥离行为，（c, d）垂直磁场的锂沉积/剥离行为，（e, f）环形磁场下的锂沉积/剥离行为。

图2环形磁场下锂沉积的SEM图像

在1 mA/cm²电流密度下沉积锂金属（a） 15分钟，（b）30分钟，（c）45分钟，（d）60分钟。（e）剥离金属锂后三维SEI框架（3DSF）的SEM图像，（f）3DSF的放大SEM图像。（g）F元素分布，（h）Cu元素分布。无磁场条件下3DSF中以1 mA/cm²电流密度下锂沉积（i）15分钟，（j）30分钟，（k）45分钟，（l）60分钟的SEM图像。

图3 锂金属和3DSF沉积量与厚度、粒径表征线状图以及TEM表征.

（a）以1 mA/cm²电流密度下沉积锂金属 1、5、10、20和50小时的锂厚度和粒径。（b）沉积容量为5 mAh/cm²时，以不同电流密度沉积的锂厚度和粒径。（c）沉积容量分别为5和10 mAh在不同循环圈数的3DSF厚度，（d）3DSF的TEM和元素映射图像。（e） 3DSF的HRTEM图像。（f） 3DSF的选区电子衍射图。

图4  C、F、N、O元素和元素含量分布的原位XPS蚀刻试验.

（a） 3DSF上0、50、100、150和200秒的原位XPS蚀刻图谱。（b）普通SEI结构在0、50、100、150和200秒的原位XPS蚀刻图谱。（c）三维SEI框架中，C、F、N、O元素在0、50、100、150和200秒时的元素比率直方图。

图5 Li||Li对称电池和Li||LFP全电池的循环性能

在(a) 5 mA/cm²- 2 mAh/cm²，(b) 10 mA/cm²-10 mAh/cm²电流密度下经过一定循环周期后移除环形磁场的循环性能。(c) Li||Li对称电池在(c) 1 mA/cm²-1 mAh/cm²电流密度下循环性能 (d)在 50 mA/cm²-10 mAh/cm²电流密度下的循环性能。(e) Li||Li对称电池在1ma /cm²-1 mAh/cm²至10ma /cm²-1 mAh/cm²的倍率性能 (f) Li||Cu电池在1ma /cm²-1 mAh/cm²时的库伦效率 (g) LFP全电池在3C时的长循环性能 (h) LFP全电池(18.3mg/cm²)在0.5C至10C时的倍率性能 (i) LFP全电池(18.3mg/cm²)在1C时的长循环性能。

文章链接

Three-dimensional SEI framework induced by ion regulation in toroidal magnetic field for lithium metal battery, Cell Reports Physical Science, 2022, 3, 101080, https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101080

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通讯作者简介

麦立强 教授，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。2014年获国家杰出青年科学基金资助，2016年入选教育部长江学者特聘教授和国家“万人计划”领军人才。

主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。在Nature（1篇）、Nature、Science及Cell子刊（18篇）等期刊发表SCI论文400余篇；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要国际会议10余次。主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、何梁何利基金科学与技术创新奖（青年奖）、科睿唯安全球高被引科学家、教育部自然科学一等奖（第一完成人）、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖（第一完成人）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现任国际期刊Journal of Energy Storage副主编，Advanced Materials、Chemical Reviews客座编辑，National Science Review学科编辑，Interdisciplinary Materials学术编辑，Accounts of Chemical Research、Joule、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials、Small国际编委，Nano Research、Science China Materials、eScience和《功能材料》编委。

赵焱教授，长期攻坚在理论计算化学的最前沿，在高精度理论化学数据库的发展、新一代密度泛函的开发和应用以及纳米材料模拟等领域做出了许多开拓性贡献，2014-2017连续四年被美国汤森路透集团和科睿唯安公司列为全球高被引科学家（“Highly Cited Researchers”）。在国际权威学术期刊上发表124篇论文，共被引44795次，其中，有6篇论文单篇引用超过1000次，有7篇论文被ISI Web of Knowledge的Essential Science Indicators评为Highly Cited Papers。其开发的M05和M06系列理论方法在全世界的化学物理界和材料模拟界都得到了广泛的应用（M06系列泛函，他引15893次；M05系列泛函，他引2654次），目前为止，有13篇Nature、35篇Science、29篇Nature Chemistry、11篇Nature Catalysis、6篇Nature Materials和2篇Nature Technology等期刊论文用到了所开发的M05/M06密度泛函方法。2016年诺贝尔化学奖得主Fraser Stoddart教授将M06泛函用于分子机器的研究，理论计算结果成功预测了分子之间机械锁合的行为。M06泛函也因此获得了Fraser Stoddart教授的高度认可，称其为分子机器的结构开发提供了巨大的帮助。2005年诺贝尔化学奖得主，加州理工大学的Grubbs教授，将M06泛函运用到了钌卡宾催化剂的催化机理研究当中，精确地计算了催化剂分解过程中各个步骤的自由能，为解释钌卡宾催化剂的催化机理提供了有力的支撑。此外，赵焱教授还开发了NCCE31/05，NHTBH38等一系列高精确度理论化学数据库以及参与了NWChem、Q-Chem等计算化学软件的编写。

许絮，武汉理工大学副教授。目前研究方向为储能材料与器件。围绕这一方向，开展了纳米电极材料的可控合成、锂金属电池及锂硫电池关键材料结构性能调控、薄膜电池结构设计、微纳电化学器件设计组装及原位表征等基础性研究工作。目前已在Science、Advanced Materials、National Science Review、Advanced Energy Materials、Nature Communications、Nano Letters、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊发表论文70余篇，论文累计他引9000余次，H因子43，获授权国家发明专利9项。获湖北省自然科学一等奖，入选第六届中国科协“青年人才托举工程”、湖北省“楚天学子”。

课题组介绍

武汉理工大学纳米重点实验室主要从事纳米能源材料与器件领域的研究，包括新能源材料、新型催化材料、微纳器件等前沿方向。团队目前有教师11名，包括长江学者、杰青、国家领军人才、国家级高层次青年人才5人（次），在读博士、硕士研究生80余人。中科院院士赵东元教授作为课题组学术顾问，为课题组发展提供重要的指导和帮助。

团队长期致力于储能技术领域研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线器件，实现单纳米基元从0到1的突破，发现电子/离子双连续效应和分级协同效应。团队近年来主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。课题组目前发表SCI论文400余篇，以第一或通讯作者发表Nature 1篇，Nature子刊9篇，合作发表Science1篇、Nature、Science、Cell子刊7篇，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文55篇，ESI 0.1%热点论文13篇。获得国家发明授权专利140余项。获国家自然科学二等奖（2019）、教育部自然科学一等奖（2018年）和湖北省自然科学一等奖（2014年和2021年）。团队负责人麦立强教授获何梁何利基金科学与技术青年创新奖（2020）和国际电化学能源大会卓越研究奖（2018，每年仅2人）等，获国家杰青资助（2014年），入选教育部“长江学者”奖励计划（2016年），英国皇家化学会会士（2018）和科睿唯安全球高被引科学家（2019、2020、2021）；任国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家、国家重点研发计划纳米科技专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做特邀报告70余次；作为会议主席举办Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要学术会议。

团队培养的50余名学生被推荐到哈佛大学、麻省理工大学、牛津大学、加州大学洛杉矶分校、西北太平洋国家实验室、阿贡国家实验室、清华大学、北京大学、中国科学院等著名高校或科研机构进行深造。10余名学生已在国内外知名高校和科研单位如英国国家物理实验室、萨里大学、滑铁卢大学、厦门大学等任职，担任教授或助理教授。该团队已发展成为国内外纳米科学技术和新能源材料技术领域具有重要影响的科学研究、国际合作及人才培养中心。

欢迎有志于从事新能源纳米材料与器件的有志之士加盟本课题组！特别欢迎对科研感兴趣、成绩好、英语基础扎实、积极主动性高、有志于继续国内或到国外深造的学生报考或申请本课题组的博士后、博士生、硕士生，也欢迎国内外专家学者或学生的访问、交流与合作！

课题组主页

http://mai.group.whut.edu.cn/chs/

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