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近日，浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院新能源材料與技術(shù)研究所陶新永教授團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文教授合作，首次將自組裝單分子層表界面技術(shù)用于調(diào)控電解質(zhì)氧化還原狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高比能量金屬鋰電池電解質(zhì)分解的精確控制。該成果以“Self-assembled monolayers direct a LiF-rich interphase toward long-life lithium metal batteries”為題，浙江工業(yè)大學(xué)作為第一完成單位，在線發(fā)表在Science期刊上。
鋰枝晶的生長(zhǎng)是導(dǎo)致高比能鋰金屬電池(LMBs)容量快速衰減和安全問題的主要原因，限制了鋰金屬陽(yáng)極的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。在抑制鋰枝晶生長(zhǎng)的研究中，與鋰傳輸和沉積密切相關(guān)的固態(tài)電解質(zhì)膜(SEI)的修飾或重建是最關(guān)鍵的策略手段。根據(jù)以往的研究表明，LiF憑借其高界面能、高化學(xué)穩(wěn)定性和較低的Li+擴(kuò)散勢(shì)壘，能夠有效穩(wěn)定SEI膜、提高Li+的傳輸能力，從而提高LMBs的循環(huán)壽命。LiF是含氟電解質(zhì)成分的分解產(chǎn)物，因此，精確控制電解液中C-F鍵的分解，構(gòu)建富含LiF的SEI膜的策略具有很大的挑戰(zhàn)性。
該研究通過在商用氧化鋁涂覆的陶瓷隔膜表面修飾高度一致且長(zhǎng)程有序的SAMs，在陽(yáng)極界面處引入偶極矩改變電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，從而加速含氟鋰鹽的還原分解過程，成功構(gòu)筑了富含LiF的高穩(wěn)定性SEI膜，促進(jìn)了Li+的快速轉(zhuǎn)移并抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了在高正極負(fù)載、有限鋰源和貧電解液等苛刻條件下優(yōu)異的全電池循環(huán)性能。由于SAMs分子結(jié)構(gòu)高度可調(diào)且可簡(jiǎn)便應(yīng)用于商用電池隔膜體系，因而該策略可擴(kuò)展到其它電極體系，構(gòu)建性能更為優(yōu)異的各類儲(chǔ)能器件。
近年來，浙江工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院新能源材料與技術(shù)研究所張文魁教授團(tuán)隊(duì)與陶新永教授團(tuán)隊(duì)等依托浙江省重中之重學(xué)科，長(zhǎng)期堅(jiān)持新能源材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化研發(fā)，圍繞新能源材料學(xué)科前沿以及相關(guān)戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的重要難題開展科學(xué)研究和人才培養(yǎng)工作，在先進(jìn)二次電池材料的基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域形成了鮮明的研究特色和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并培養(yǎng)了一支高水平的科研隊(duì)伍。研究所先后承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家基金聯(lián)合基金重點(diǎn)、國(guó)家優(yōu)青項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目20余項(xiàng)、企業(yè)合作項(xiàng)目50余項(xiàng)，在Science，Nat. Energy，Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., ACS Nano等知名期刊上發(fā)表論文 100余篇。授權(quán)發(fā)明專利100余項(xiàng)，并與多家鋰離子電池企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研合作，及時(shí)轉(zhuǎn)化研究成果，實(shí)現(xiàn)了多種規(guī)格的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，取得了顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
近年來，浙江工業(yè)大學(xué)積極踐行習(xí)近平總書記提出的“四個(gè)面向”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略方向，樹立有組織地做有用的科研的理念，完善科研評(píng)價(jià)體系，鼓勵(lì)教師聚焦學(xué)術(shù)前沿，推進(jìn)學(xué)科與國(guó)際一流科研團(tuán)隊(duì)交流合作，優(yōu)化基礎(chǔ)研究科研生態(tài)，學(xué)校國(guó)際學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力持續(xù)增強(qiáng)。浙江工業(yè)大學(xué)自然指數(shù)（Nature Index）排名穩(wěn)步上升，已躍居全國(guó)高校50強(qiáng)。
圖1.?羧基端基的自組裝單分子層通過引入偶極矩加速LiTFSI還原分解動(dòng)力學(xué)，誘導(dǎo)形成富LiF的固態(tài)電解質(zhì)界面膜，使金屬鋰電池在苛刻條件下依舊獲得超長(zhǎng)循環(huán)壽命
圖2. 自組裝單分子層偶極矩關(guān)聯(lián)的靜電勢(shì)等值面計(jì)算及富LiF的固態(tài)電解質(zhì)界面膜冷凍透射電鏡原子級(jí)結(jié)構(gòu)可視化
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