Small Methods:新型稀土溴化物助力高效全固态锂电池

目前,依靠传统的锂电池材料,液态锂离子电池的能量密度难以实现高于350Wh/kg的目标,无法达到国家对于锂离子电池的单体能量密度的发展要求。固态电池在能量密度、安全性上相较于传统液态锂离子电池具有明显的优势,受到了科学界以及新能源产业的重点关注。固态电池将液态电解质替换为固态电解质,大大降低了安全风险,而且其能够直接匹配高能正极和使用金属锂负极,从而大幅提升了理论能量密度,将电化学窗口能够较传统液态锂离子电池进一步提升至5 V以上。此外,全固态锂离子电池在生产流程以及成本控制上也具备较大优势。因此,全固态电池在近期得到了快速发展,并有望成为下一代锂离子电池实现颠覆性革新的关键。

目前,全固态电池的发展在很大程度上主要取决于固体电解质的发展。近年来,稀土卤化物固体电解质成为了全固态电池领域的研究热点。稀土卤化物固体电解质同时具有高离子电导率、可变形性和良好的稳定性,可为全固态锂电池带来优异的性能。 然而,稀土固体电解质虽然具备优异的性能,但是其常规合成方法(机械化学法、共熔法)都需要昂贵的原材料和精密的设备,难以实现产业化的发展与应用。

针对该挑战,南开大学杜亚平教授团队与香港理工大学黄勃龙教授团队针对新型固体电解质的开发与制备实现了重要的研究进展,开发了一种新型真空蒸发辅助合成方法成功实现了稀土固体电解质材料Li3HoBr6的合成,并具备实现大规模合成的潜力。所制备的Li3HoBr6具有mS cm-1水平的高锂离子电导率,超过大部分报道的固体电解质性能。理论计算证明了Li3HoBr6具备结构高稳定性并且对于锂迁移的势垒很低,从而实现了高锂离子电导率。在Li3HoBr6中具备两种迁移路径,分别为四面体路径和八面体路径,分别负责短程迁移和长程迁移,最终实现了高效的锂离子电导率。此外,基于Li3HoBr6的Li-Se电池可以用过冷压方法简单组装制备,并且具备具有良好的稳定性和倍率性能,充分证明了稀土固体电解质未来在全固态电池领域的发展和应用潜力。相关工作成果发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202101002)上。

作者简介:

杜亚平教授

理学博士,教授,博士生导师。现任天津市稀土材料与应用重点实验室主任,南开大学稀土与无机功能材料研究中心副主任。2004年在兰州大学获理学学士学位,2009年在北京大学获博士学位。近期的研究工作主要集中在新型稀土纳米结构的研究,承担和参加国家自然科学基金优青、面上项目、天津市杰青和京津冀协同创新重点项目等研究课题。近五年以通讯作者或第一作者在Sci. Adv.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.Chem. Soc. Rev.等刊物发表论文130余篇,并担任中国稀土学会光电材料与器件专业委员会委员,中国稀土学会稀土晶体专业委员会青年委员,中国化学会高级会员,兼任期刊RSC Advances副主编,中国化学快报(Chinese Chemical Letters)青年编委、中国稀土学报(Journal of Rare Earths,中、英文版)青年编委、稀土(Chinese Rare Earths)编委等。

黄勃龙教授

2007年毕业于北京大学物理系,同年前往剑桥大学从事材料理论研究,并于2012年获得博士学位。2012-2015年,于北京大学跟随严纯华院士并在其指导下开展博士后研究, 后赴香港城市大学和香港理工大学继续博士后的相关研究,并于2015年入职香港理工大学担任助理教授至今。黄勃龙教授的研究方向主要为纳米材料、能源材料、固体功能材料和稀土材料的电子态性质,以及在能源材料纳米表界面、多尺度下的能源转换应用等。目前黄勃龙共发表SCI论文210余篇,H-index为43,文章引用次数超过7200次, 包括NatureScienceEnergy Environ. Sci.J. Am. Chem. Soc., Chem. Soc. Rev.Nat. Commun.Adv. Mater.Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国内外顶级杂志,并多次被选为封面推荐文章。此外,黄勃龙教授还担任《Nano Research》《中国稀土学报》与《稀有金属》的青年编辑或编委。

论文信息:

Gram-Scale Synthesis of Nanosized Li3HoBr6 Solid Electrolyte for All-Solid-State Li-Se Battery

Xiaomeng Shi, Zhichao Zeng, Hongtu Zhang, Bolong Huang*, Mingzi Sun, Hon Ho Wong, Qiuyang Lu, Wei Luo, Yunhui Huang, Yaping Du*, Chun-Hua Yan

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101002

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202101002