再發(fā)Nature！華南理工學(xué)者在鋰金屬電池領(lǐng)域獲重大進展

灣區(qū)時訊（編輯／劉秀 通訊員／華軒）繼無機鈣鈦礦疊層光伏領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破后，華南理工大學(xué)嚴克友教授團隊在高能量密度鋰金屬電池領(lǐng)域又取得重大進展。該成果為研發(fā)、制造新一代高性能鋰電池、推動新能源汽車以及光伏-儲能一體化等領(lǐng)域發(fā)展提供了新的關(guān)鍵技術(shù)。

該團隊針對鋰金屬負極在碳酸酯電解液的界面穩(wěn)定性難題，利用單斜相m-Li₂ZrF₆ 納米顆粒作為添加劑，成功在鋰金屬負極表面構(gòu)建了具有優(yōu)異電化學(xué)性能的基于三方相t-Li₂ZrF₆固態(tài)電解質(zhì)界面，實現(xiàn)了鋰金屬電池在高載量、低N/P值和超高倍率下的穩(wěn)定循環(huán)，能夠在2C的倍率下循環(huán)3000次后依然擁有80%的容量保持率，達到同級別最高水平。

由于m-Li₂ZrF₆ 納米顆粒的合成工藝簡單，具備大規(guī)模生產(chǎn)條件，為鋰金屬電池的廣泛應(yīng)用提供了解決方案。研究成果歷經(jīng)2年5個月的4輪審稿、修改，最終以“Li₂ZrF₆ based electrolytes for durable lithium metal batteries”（六氟鋯酸鋰基耐用型鋰金屬電池）為題發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上。

該論文第一完成單位為華南理工大學(xué)，徐慶帥博士為第一作者，丘勇才、嚴克友教授領(lǐng)導(dǎo)了該項目團隊，嚴克友為通訊作者。昆明理工大學(xué)李坦副教授、溫州大學(xué)居治金教授為共同第一作者。浙江工業(yè)大學(xué)陶新永教授、中國科學(xué)院物理研究所李泓研究員、北京航空航天大學(xué)郭林教授為共同通訊作者。該工作得到了海外高層次人才計劃、國家自然科學(xué)基金和重點研發(fā)計劃，廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊及青年拔尖人才計劃、興華人才計劃的基金的大力支持。

鋰金屬電池憑借鋰金屬負極極低的電化學(xué)還原電位和超過高的理論比容量，而被認為是最有潛力的下一代電池候選者，它有潛力將現(xiàn)有鋰離子電池的能量密度提升一倍。然而目前，基于鋰離子電池的碳酸酯基電解液體系，與鋰金屬電池仍然無法很好地兼容。其根本原因在于，目前的商業(yè)電解液無法在鋰金屬負極表面形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面。這種缺陷不僅會造成鋰枝晶的生長，帶來電池爆炸的風(fēng)險，還會嚴重影響鋰金屬電池的循環(huán)壽命。如何在鋰金屬負極界面表面構(gòu)建同時具有高電子絕緣性、高離子電導(dǎo)率和高化學(xué)穩(wěn)定的理想型固態(tài)電解質(zhì)界面，一直是這一研究中的關(guān)鍵難題。

該工作創(chuàng)新點和作用機理示意圖

針對以上難點，研究團隊基于理論計算，驗證了以t-Li₂ZrF₆ 晶體構(gòu)建理想型固態(tài)電解質(zhì)界面的可行性，首次提出用電場驅(qū)動m-Li₂ZrF₆ 轉(zhuǎn)化為t-Li₂ZrF₆來構(gòu)筑固態(tài)電解質(zhì)界面的策略。相關(guān)實驗表明，這一策略不僅能夠憑借優(yōu)異的電子絕緣性阻止電子擊穿固態(tài)電解質(zhì)界面進而抑制電解液的分解，還能夠為Li⁺ 提供快速遷移的通道，提高鋰金屬電池的倍率性能。此外，t-Li₂ZrF₆晶體表面豐富的親鋰位點能夠和其內(nèi)部的離子通道一起，誘導(dǎo)鋰金屬均勻沉積，抑制鋰枝晶的生長，從而提高鋰金屬電池的安全性。同時，過量m-Li₂ZrF₆添加劑不僅能夠改善傳統(tǒng)添加劑在循環(huán)中被耗盡的缺陷，還能夠通過ZrF₆^2-離子及時修復(fù)破損的固態(tài)電解質(zhì)界面，為鋰金屬負極的界面穩(wěn)定性提供長期保護。

基于上述優(yōu)勢，m-Li₂ZrF₆納米添加劑能夠使Li||LiFePO₄電池在普通商業(yè)碳酸酯電解液中，以2C的倍率穩(wěn)定循環(huán)3000次，且擁有超過80%的容量保持率。這項工作為鋰金屬負極界面保護提供了新的研究材料和思路。

日前，嚴克友教授團隊成功制備了全球首個2端全無機鈣鈦礦疊層電池，相關(guān)成果以“Durable all Inorganic perovskite tandem photovoltaics”為題發(fā)表在Nature上，受到各界關(guān)注。本文是時隔一個多月后，該團隊發(fā)表在Nature上的又一重大成果。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08294-z

華南理工大學(xué)主要作者介紹：

徐慶帥，本文第一作者，華南理工大學(xué)博士。博士導(dǎo)師為丘勇才、嚴克友教授。主要從事儲能材料制備，鋰金屬負極設(shè)計和電解液設(shè)計研究，并得了一系列的研究成果。近五年以第一作者在國際著名期刊上發(fā)表多篇SCI期刊論文，其中包括Nature， Adv. Energy Mater.等。

嚴克友教授，本文通訊作者，海外高層次引進人才，環(huán)境與能源學(xué)院環(huán)境與能源融合教研所所長，發(fā)光材料與器件國家重點實驗室成員，碩/博導(dǎo)。長期從事太陽能轉(zhuǎn)化、儲存和利用研究，在Nature，J. Am. Chem. Soc.，Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Angew. Chem.，Adv. Energy. Mater等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文150余篇，文章被引萬余次，多次被學(xué)術(shù)媒體報道。主持海外高層次人才，廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊及青年拔尖項目等，獲得教育部自然科學(xué)二等獎等。

單位簡介：

華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院具有“環(huán)境科學(xué)與工程”一級學(xué)科博士學(xué)位授予權(quán)，本科專業(yè)“環(huán)境工程”入選國家一流專業(yè)建設(shè)。環(huán)境科學(xué)/生態(tài)學(xué)2017年進入全球ESI前1%。學(xué)院下設(shè)水工、水處理、大氣、土壤、固廢、污控、生態(tài)、新能源、環(huán)能、環(huán)境健康共10個教研所。建有國家工程實驗室、教育部重點實驗室、省重點實驗室等20個高水平創(chuàng)新科研平臺。學(xué)院面向國家戰(zhàn)略重大需求，充分發(fā)揮“源頭減排、過程控制、末端治理”全過程污染控制優(yōu)勢，先后承擔一大批國家重點重大類科研項目和工程類項目，獲國家科技獎勵4項、省部級一等獎30余項、國家專利獎9項，有力支撐國家和灣區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。

環(huán)境與能源融合教研所，面向國家重大需求和“雙碳”目標，圍繞能源與環(huán)境交叉領(lǐng)域的新材料、新器件和新技術(shù)開展研究。主要研究內(nèi)容包括：太陽能高效轉(zhuǎn)換、儲存和綠色利用技術(shù)；光電熱、生物質(zhì)環(huán)境催化凈化及其再生技術(shù)；廢舊新能源材料和器件的綠色回收和資源化循環(huán)再利用技術(shù)。