滑铁卢大学陈忠伟院士团队《Adv. Mater.》综述：二维材料在全固态锂电池中的应用

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近日，滑铁卢大学陈忠伟院士团队联合华南师范大学王新教授在Advanced Materials杂志上发表综述，总结了近年来二维材料在全固态锂电池中的应用进展。并且从材料，表征技术等方面出发，提出如何进一步提高二维材料在固态锂电池技术中的方法。具有先进电化学性能的二维材料已应用于全固态锂电池的不同组成，包括阳极、阴极和电解质，以提高其性能。本综述通过总结全固态锂电池中二维材料的独特性质、合成、应用和先进表征，指出了二维材料在全固态锂电池中应用的未来发展方向。
为了追求更高的能量密度、更可靠的安全性和更长的循环寿命，全固态锂电池被视为下一代储能技术。然而，全固态锂电池的实际应用仍存在离子电导率低、界面收缩差、电子电导率低等挑战。因此，具有更高比表面积、高离子电导率、高电子电导率、高机械强度等的二维材料得到了广泛应用。已经应用来应对这些挑战，但仍然没有结论性的文章来总结二维材料用于全固态锂电池的最新状态。
因此在本文中介绍了二维材料在全固态锂电池中应用的基本原理和当前进展。旨在系统分析二维材料在全固态锂电池不同成分中的作用和机制。具体而言，在负极侧，应用化学稳定性好的二维材料来保护负极尤其是锂金属负极与电解液之间的副反应。锂离子电导率高的二维材料可用于形成固体电解质界面，降低界面电阻，抑制锂枝晶生长。在正极侧，二维材料 的高表面相互作用将提高 全固态锂电池 的正极活性材料负载质量和能量密度。二维材料中的缺陷工程将为充放电过程中的活性材料转化提供各种催化活性位点。二维材料显着的电子传导性将解决活性材料较差的电子传导性，以充分利用活性材料的理论容量。至于电解质，二维材料的高机械性能将提高全固态电解质的机械强度，尤其是聚合物基固态电解质，以抑制锂枝晶的生长。由于 二维材料 的快速锂离子扩散，它将提供或增强 SSE 的锂离子电导率。还介绍了一些先进的表征技术，如原位表征技术和同步辐射X射线表征技术，对于了解全固态锂电池的工作状态和失效机理具有重要意义。并指出了未来二维材料在全固态锂电池中应用的进一步研究策略。文章的第一作者为滑铁卢大学硕士研究生马谦益和滑铁卢大学博士后郑云博士。 
图1.二维材料在全固态锂电池中的应用


图2.全固态锂电池中应用的二维材料的分类

不同的元素组成会对二维材料的性质和结构产生不同的影响。因此，二维材料分为以下几类：碳基材料、金属材料和其他二维材料。 在本节中，将解释不同类型的二维材料的特性和特性。 
图3. 常见的二维材料的各类合成方法及大规模生产策略。

石墨烯的发现立即使二维材料的研究成为材料研究的中心。具有优异电化学性能的二维材料的研究逐渐成为下一代高性能全固态锂电池的潜在材料。制备各种二维材料的方法可分为三个部分：（1）剥离法（2）化学气相沉积（3 )湿化学合成法。 
图4. 二维材料解决锂金属负极与固态电解质界面问题稳定锂金属负极。
  
图5. 二维材料解决正极材料与固态电解质材料界面问题，构筑额外离子传输结构。  
图 6. 二维活性材料提供良好界面接触及容量贡献，构筑连续离子传输通道。  
图 7. 二维材料构高离子导率，高机械强度，高热稳定性PEO复合电解质。  
图8. 二维材料构筑新型非PEO固态电解质，提出全新锂离子传导材料。  
图9. 原位同步辐射表征助力二维材料在固态电解质中的机理诠释。 尽管本综述总结了全固态锂电池中二维材料的研究工作，但二维材料在全固态锂电池中的应用仍处于初级状态。全固态锂电池在实际应用中还存在很多严重的问题，如锂离子传导率低、界面电阻高、副反应等。为了最大限度地发挥二维材料在全固态锂电池中的作用，下面讨论了一些建议的未来发展方向。
(1)二维材料的改性 
二维材料可以通过多种方法进行改性，如蚀刻和表面功能化，以进一步提高电化学性能。在综述中提到的研究中，大多数二维材料没有改性直接应用于全固态锂电池。因此，为了最大限度地发挥二维材料在全固态锂电池中的作用，有必要研究改性与电化学性能之间的关系。对于全固态锂电池，主要考虑对锂电池中能量密度最高的锂金属电池进行改进。对于负极侧，有必要提高二维材料的化学稳定性和机械强度，以抑制锂金属负极与锂枝晶生长之间的副反应。在正极方面，对高压正极材料如：LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂、LiCoO₂等的研究较少。在全固态锂电池上。改性二维材料以处理高压正极材料和电解质之间的副反应非常重要。解决这个问题后，可以进一步提高全固态锂电池的能量密度。对于电解质，改性二维材料可以全面解决全固态电解质在室温下离子电导率低的问题，尤其是聚合物基固体电解质。
(2)全固态电解质中二维材料上锂离子传输的原位表征
原位表征技术可以增强科学家对全固态电解质中某些现象本质的理解。对于电解质，自从引入固体锂离子电解质以来，目前基于纯固态电解质的锂离子传输机制已被各种模型解释。然而，随着二维材料的加入，固态电解质中锂离子传输的机制有所变化，有必要了解固态电解质中锂离子传输机制的不同，有无添加二维材料。为实现这一目标，原位/操作NDP、XTM等先进方法以及DFT和AIMD等模拟方法可以分析复合材料系统，应在此处应用于分析锂离子传输机制。对于电解质和负极之间的界面问题，可以应用原位表征来揭示电池运行过程中界面组分形态的变化，采取相应措施改善全固态锂电池的界面动力学。
(3)新型二维材料的开发
尽管当前的二维材料在全固态锂电池中发挥着重要作用，但应不断开发具有优异电化学活性的新型二维材料。例如，在负极侧，应该发现具有更高离子电导率和更高机械强度的二维材料。在正极方面，新型二维材料应具有更高的电子电导率和理论容量。在电解质中，二维材料需要更高的离子电导率、更高的机械强度等。基于全固态锂电池不同成分的不同要求，机器学习和人工智能可以非常有效地预测新二维材料在全固态锂电池中的应用。这两项技术可以大大减少人们前期筛选材料所需的时间，从而不断推动新型二维材料的应用。
总之，二维材料在全固态锂电池中的应用仍处于初步阶段。为了促进全固态锂电池的实际发展，需要进一步开发更多种类的二维材料和不同方面的表征方法。在新的二维材料 全固态锂电池的新型材料制造方法的帮助下，二维材料在全固态锂电池的实际应用中的应用将得到扩展。先进表征的发展进一步揭示了全固态锂电池的失效机制，为二维材料解决当前全固态锂电池遇到的问题提供了有针对性的指导和思路。总之，二维材料和全固态锂电池的结合是研究和实际应用的热点。这项工作将推动下一代锂电池——全固态锂电池的快速发展，以取代目前以液态电池为主的技术。
论文信息：Ma, Q., Zheng, Y., Luo, D., Or, T., Liu, Y., Yang, L., Dou, H., Liang, J., Nie, Y., Wang, X., Yu, A. and Chen, Z. (2022), Two-dimensional Materials for all-solid-state Lithium Batteries. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2108079.  

原文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202108079

作者简介

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第一作者：
马谦益马谦益是加拿大滑铁卢大学化学工程系硕士研究生。2020年获得滑铁卢大学/北京交通大学学士学位。2020年加入陈忠伟教授课题组主要研究方向为电化学储能与转换，聚焦于锂金属电池复合固态电解质的研究，水系锌离子电池的极限低温电解质设计。
郑云博士郑云博士是加拿大滑铁卢大学化学工程系的博士后研究员。2019年获得清华大学化学工程博士学位，主要研究方向为电化学储能与转换，聚焦于锂金属电池复合固态电解质的研究，CO₂/H₂O高温电解生产可持续燃料 固体氧化物电解电池，以及用于固体氧化物燃料电池的异质结构电极材料。通讯作者介绍： 王新教授王新，华南师范大学研究员。主要研究方向为新能源材料与器件。曾获得教育部自然科学奖一等奖，主持国家自然科学基金、广东省杰出青年基金，广东省自然科学基金、广东省新型研发机构等项目；目前已申请专利66件，获批专利36件，并以第一作者或通讯作者发表论文80余篇，被引次数4300 次，H 值为 33。相关代表性研究成果以第一作者或通讯作者发表在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater, Appl. Catal. B, Energy Storage Mater.等行业高水平期刊上。 陈忠伟教授陈忠伟教授现任Waterloo大学加拿大国家首席讲座教授、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士，国际电化学能源科学院副主席，Waterloo大学应用纳米材料实验室主任、Warerloo清洁能源实验室主任。主要研究方向为燃料电池、锂电池、锂金属电池、锌空气电池和锂硫电池的先进材料研发及产业化研究。近年来已在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Joule, Matter, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, ACS Nano等国际顶级期刊发表论文400余篇。目前为止，文章已引用次数达42000余次, H-index 指数为102。

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