繼無機(jī)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(yán)克友教授團(tuán)隊(duì)在高能量密度鋰金屬電池領(lǐng)域又取得重大進(jìn)展。該成果為研發(fā)、制造新一代高性能鋰電池、推動(dòng)新能源汽車以及光伏-儲(chǔ)能一體化等領(lǐng)域發(fā)展提供了新的關(guān)鍵技術(shù)。

該團(tuán)隊(duì)針對(duì)鋰金屬負(fù)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(fù)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(shí)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(dá)到同級(jí)別最高水平。

由于m-Li2ZrF6 納米顆粒的合成工藝簡(jiǎn)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(gè)月的4輪審稿、修改，最終以“Li2ZrF6 basedelectrolytes 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(guó)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(yán)克友教授領(lǐng)導(dǎo)了該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，嚴(yán)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(guó)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(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)及青年拔尖人才計(jì)劃、興華人才計(jì)劃的基金的大力支持。

鋰金屬電池憑借鋰金屬負(fù)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(rèn)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(fù)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(huì)造成鋰枝晶的生長(zhǎng)，帶來電池爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)嚴(yán)重影響鋰金屬電池的循環(huán)壽命。如何在鋰金屬負(fù)極界面表面構(gòu)建同時(shí)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(diǎn)和作用機(jī)理示意圖

針對(duì)以上難點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)基于理論計(jì)算，驗(yàn)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)而抑制電解液的分解，還能夠?yàn)長(zhǎng)i+ 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(diǎn)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(zhǎng)，從而提高鋰金屬電池的安全性。同時(shí)，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ZrF62-離子及時(shí)修復(fù)破損的固態(tài)電解質(zhì)界面，為鋰金屬負(fù)極的界面穩(wěn)定性提供長(zhǎng)期保護(hù)。

基于上述優(yōu)勢(shì)，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(xiàng)工作為鋰金屬負(fù)極界面保護(hù)提供了新的研究材料和思路。

日前，嚴(yán)克友教授團(tuán)隊(duì)成功制備了全球首個(gè)2端全無機(jī)鈣鈦礦疊層電池，相關(guān)成果以“Durable all Inorganicperovskite tandem photovoltaics”為題發(fā)表在Nature上，受到各界關(guān)注。本文是時(shí)隔一個(gè)多月后，該團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Nature上的又一重大成果。