Advanced Functional Materials:可充电电池中关键的电极/电解质界面研究进展

可充电电池的发明,无论是早期的铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、还是当前广泛使用的锂离子电池显著改变了我们的生活方式,尤其是在移动生活领域,移动手机、笔记本电脑、新能源汽车以及各类的数码产品加速了我们之间的协作、沟通和发展。无论是移动出行领域还是在移动数码电子产品设备等方面锂离子电池都担当着器件“心脏”功能,学术界针对更高比能的电池体系目前也在不断的研发过程中,尤其是基于金属锂负极的固态电池、锂硫电池、锂空气电池等新体系的研究。电池的发展离不开正负极电极材料的发明,同样电极/电解质界面在电池的发展历程中也发挥着重要作用,无论是在学术界还是产业界都高度重视电极界面在电池寿命方面发挥的重要功能。然而,电极界面研究范畴大多集中在纳米尺度下,研究技术的局限性和界面本身随时间和电位动态变化的特性导致领域内对界面的认识尚处于初级阶段,关于电极/电解质界面的发展历程及研究思路亟需被系统的梳理和总结。

北京理工大学黄佳琦教授及其研究团队始终将研究聚焦在研究难度极大的电极/电解质界方向,近年开展了大量原创性研究工作,拓宽了界面的形成机制的新认知,提出人工界面设计的调控策略及相关设计准则。受《Advanced Functional Materials》的特约邀请,黄佳琦教授及其研究团队近日在线发表了题目为《Toward Critical Electrode/Electrolyte Interfaces in Rechargeable Batteries》的研究进展报告,对可充电电池的电极/电解质界面的形成机制和调控方法等方面进行了全面评述。

本文梳理了近年来可充电系统中正极固液电解质界面(CEI)和负极固液电解质界面(SEI)的研究进展(图1)。针对电极/电解液界面的可能形成机理,本文提出了影响界面形成的两个关键因素:电极表面的初始物种吸附和电解液体相的溶剂化配位结构;同时,文章对当前关于界面的结构和化学成分以及可能的传输机制进行了系统的讨论,解析了不同结构特点和不同组分下的固液界面对于锂离子输运行为和沉积/脱出行为的影响;文章的最后作者通过归纳当前领域内关键的界面调控策略,展望了未来人工界面设计的准则。本工作有助于提高领域内对界面的基本认识,拓展了学科知识,为电极/电解液界面的设计提供了合理的科学依据,对长期循环充电电池的合理设计具有启发意义。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201909887)上。