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首次合成的溶剂分子推动锂电池更接近产业,相关创业正在进行时,斯坦福大学鲍哲南/崔屹/秦健合作团队最新成果解读

2022-01-25 10:10:05 整理发布   转载来源:网络整理/侵权必删  

2022年1月13日,斯坦福大学鲍哲南教授、崔屹教授和秦健助理教授(共同通讯作者)等人,在Nature Energy发表题为“Rational solvent molecule tuning for highperformance lithium metal battery electrolytes”的研究论文。崔屹教授在微信朋友圈评论该工作:“迎接虎年,进入一月以来发的第二篇论文,设计新型电解液,让高能量密度金属锂电池循环更好,比以前的FDMB更上一楼,更加接近现实!” 据悉,课题组近期展开的液态电解液金属锂电池等相关研究成果都已申请专利保护...《首次合成的溶剂分子推动锂电池更接近产业,相关创业正在进行时,斯坦福大学鲍哲南/崔屹/秦健合作团队最新成果解读

2022年1月13日,斯坦福大学鲍哲南教授、崔屹教授和秦健助理教授(共同通讯作者)等人,在Nature Energy发表题为“Rational solvent molecule tuning for highperformance lithium metal battery electrolytes”的研究论文。

崔屹教授在微信朋友圈评论该工作:“迎接虎年,进入一月以来发的第二篇论文,设计新型电解液,让高能量密度金属锂电池循环更好,比以前的FDMB更上一楼,更加接近现实!” 据悉,课题组近期展开的液态电解液金属锂电池等相关研究成果都已申请专利保护。目前课题组正在积极组建团队,筹备建立创业公司。

果壳硬科技邀请了论文第一作者俞之奡解读和分享研究团队的工作,并谈一谈他对课题组成果产业化前景的看法。

以下为俞之奡撰写的分享内容。

在“碳达峰”“碳中和”背景下,金属锂电池是当之无愧的当红炸子鸡,其技术发展受到了学术界、产业界和创投圈的广泛关注。然而,锂金属负极一直受到锂枝晶、死锂等问题的困扰,导致电池寿命无法达到商用要求。一直以来,我们课题组都在寻求解决这个问题的方法,而我个人的目光则主要聚焦于分子保护涂层和液态电解液,尤其是创造出新的化学分子结构,用以提高金属锂电池的性能。

为什么要创造新的溶剂分子?

目前领域内有很多针对液态电解液的工作是基于现有配方进行调整优化;但我一直关注的是,我们是否能用最简单的分子设计和有机合成,去做一些可能在任何领域都没人研究过的、连CAS号(化学品目录ID号,每个被识别的化学品都有一个对应的编号)都没有的新分子,然后看看这些分子是否能做到现有配方几乎做不到的事。

图1展示的是金属锂电池溶剂分子逻辑关系图,落于第一象限的溶剂分子,具有较好的电极稳定性和高的离子传输特性,并且离原点越远越好。

通常来说,高度稳定的金属锂电极需要弱溶剂化的溶剂,而这就会导致导离子率的降低,找到二者的“平衡点”并不容易。事实上,2020到2021年间,我们已经积累了一些工作,比如之前开发设计的DEE溶剂分子和FDMB溶剂分子。

DEE(图1第二象限)和FDMB(图1第四象限)溶剂分子在不同方向都展现出了不错的金属锂电池性能,但是它们都落在了“非第一象限”,比如DEE的电极性能还有一些小小的瑕疵,而FDMB虽然电极稳定性极高,但也有导离子率低的问题。在做完这一系列工作后,我一直有个梦想:设计合成出能“完胜”之前那些溶剂分子的新分子。


图1:溶剂分子逻辑关系图 | 俞之奡供图

在这次科研工作中,我以DEE分子为基体,进一步精细调控了端基的氟化程度(图1第一象限),得到了一系列性能逐渐递进升级的氟化DEE溶剂分子,实现了极高的金属锂电池循环稳定性和较为理想的离子传输特性。其中位于第一象限的F4DEE和F5DEE分子在溶剂分子逻辑图中远离原点,各方面的性能是目前所知的最佳溶剂分子,并且F5DEE分子至今还没有CAS号,系首次合成的新溶剂分子。

实验发现,这一系列新溶剂被配成常规浓度的、一种盐和一种溶剂的电解液,不仅实现了目前最高的99.9±0.1%的Li||Cu半电池循环效率,还在贴近现实应用的薄金属锂||超高面负载NMC811全电池循环,以及无负极Cu||LFP卷绕式工业软包电池中,做到了迄今为止最长的电池循环寿命之一

需要补充说明的是,我们将更充实的实验数据放在了Supplementary Information以及原始数据Source Data中,根据这些实验数据, 我们发现电池在各种不同条件下都显示出高度可循环使用的性能,其可重复性验证了这种电解液具备的商业潜质。

在电池测试中,我们发现了一个令人震惊的结果。图2中左边的Li||Cu半电池是最常用的展现金属锂负极循环性的数据,其效率(纵轴数值)越接近100%越好。我们发现,在高压力扣式电池中经过前100圈的活化,我们配制的电解液的重复数据显示金属锂效率可以到达99.74/99.90±0.10%,这也是目前最高、最稳定的金属锂负极效率。

这样优秀的金属锂负极性能给了我很大的信心,所以我当时买了工业级的无负极卷绕式软包干电池,并将其直接注入我们配制的电解液,进行真实电池的测试。拿来测试的这种电池与现实生活可谓无缝衔接,测试做好后,这些电池在充电之后还供给组内做电子学器件的同学继续使用。通过电池测试我们发现,在快速循环的条件下,工业级的无负极软包电池也展现出了高度可重复的、较长的循环寿命(图2右)。值得一提的是,这个无负极电池的循环寿命是目前基于磷酸铁锂正极的无负极电池中最长的。



图2:本研究中电解液的Li||Cu半电池测试(左)和工业级无负极软包电池测试结果(右) | 俞之奡供图

为了证明本研究液态电解液的有效性,我们拆解了长期循环后的无负极软包电池,取出了负极一侧的电极,然后观测金属锂在上面的生长形貌。结果我们不仅没有看到枝晶或毛刺,反而发现这些长期循环之后电沉积的金属锂几乎和崭新的、买来的金属锂箔一样,形态极其平整。


图3:工业级无负极软包电池在长循环后,负极一侧金属锂沉积形貌完全没有任何枝晶痕迹 | 俞之奡供图

产业化前景如何?

在研究工作中,在设计电解液分子的初期,我们就全方位地考虑到了合成原料的成本、合成提纯工艺的复杂性、电池循环寿命、工业化量产型等等问题。这些溶剂可以通过廉价原料和简易途径大量合成,在工业化应用的现实条件下,我们全方位地“升级”了电池性能。

除此之外,不同于固态电池,我们研发的液态电解液金属锂电池/无负极电池技术和已经发展了几十年的大规模电池生产线工艺可以无缝对接,节省了很多工程和生产线优化的时间和成本。

在文章发表之前,相关专利都已布局;目前,我们正在积极组建团队,进行创业公司的筹备,我个人认为,液态电解液技术不一定的最终极的形态,但对于金属锂电池的发展一定是最贴近现实的、能最快速产业化的选择。

其实化学的魅力有时候可能是一些很狡黠的trick。分子上简单的一两个原子的微观调控会导致完全不同的宏观材料性质,这应该就是化学家的本质——分子工程师。

参考文献

Yu, Z. et al. Rational solvent molecule tuning for high-performance lithium metal battery electrolytes. Nature Energy (2022).

作者:俞之奡

编辑:酥鱼

排版:尹宁流

研究团队

通讯作者鲍哲南:斯坦福大学化工系K.K. Lee讲席教授,美国工程院、科学与艺术学院 两院院士,主要从事人造电子皮肤、有机半导体、生物电子学、锂电池等领域的研究。


鲍哲南老师团队

通讯作者崔屹:斯坦福大学材料科学与工程系Fortinet Founders教授、斯坦福大学Precourt能源中心主任,主要从事高压金属锂电池、锂硫电池、固态电解质、冷冻电镜、空气净化、特殊织构材料等领域的研究。


崔屹老师团队

通讯作者秦健:斯坦福大学化工系助理教授,主要从事高分子物理、软物质理论、电池材料计算模拟的研究。


秦健老师团队

第一作者俞之奡:2017年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院,获理学学士学位;本科期间在化学与分子工程学院裴坚教授课题组进行了三年有机半导体和有机电子学的科研;之后进入美国斯坦福大学化学系攻读博士学位,加入化工系鲍哲南教授课题组。主要研究领域为金属锂电池电解质和高分子材料的开发和研究。


论文信息

发布期刊《自然-能源》Nature Energy

发布时间2022年1月13日

文章标题Rational solvent molecule tuning for high-performance lithium metal battery electrolytes

(DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-021-00962-y)


本文链接:http://www.adminso.com/articles/view/324356
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