新春伊始，材料學(xué)院劉向峰教授團(tuán)隊(duì)在高安全動(dòng)力與儲(chǔ)能電池研究方面取得了系列進(jìn)展。動(dòng)力與儲(chǔ)能電池是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)以及能源轉(zhuǎn)型的重要途徑。鋰離子電池已經(jīng)在3C電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、新型儲(chǔ)能技術(shù)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但是，鋰離子電池引起的安全隱患和事故已經(jīng)受到極大關(guān)切。全固態(tài)電池、水系電池等因?yàn)椴皇褂糜袡C(jī)易燃電解液，能夠從根本上解決電池安全性等問題，因而備受關(guān)注，也是國(guó)內(nèi)外競(jìng)相發(fā)展的前沿領(lǐng)域。
 

　　高性能固體電解質(zhì)材料的缺失以及固-固界面阻抗大、界面相容性差等問題嚴(yán)重制約了固態(tài)電池的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)固態(tài)電池存在的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難題，劉向峰教授等人首次成功構(gòu)建了基于富鋰錳基正極材料和石榴石型氧化物固體電解質(zhì)的高比能、高倍率、高循環(huán)穩(wěn)定性的全固態(tài)電池。電壓衰減也得到了顯著抑制，由液態(tài)電池下的2.96 mV/圈下降到0.66 mV/圈。此外，該團(tuán)隊(duì)還通過共振非彈性譜儀等先進(jìn)手段首次揭示了富鋰錳基氧化物正極材料在固態(tài)電池條件下的氧陰離子氧化還原行為，發(fā)現(xiàn)與液態(tài)電池條件下相比，其氧陰離子氧化還原反應(yīng)的可逆性具有顯著提高。該工作對(duì)基于高容量富鋰錳基氧化物正極材料的全固態(tài)電池研究具有十分重要的推進(jìn)作用。該成果近期發(fā)表于國(guó)際著名期刊 Angewandte Chemie International Edition .(2024, 63，e202315856)，文章第一作者是2021級(jí)博士研究生陳步天。
 

圖1. 基于富鋰錳基氧化物正極材料的高性能固態(tài)電池.
 

　　聚合物-無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)因具有低成本、易加工、高柔韌性及良好界面相容性等特點(diǎn)而展現(xiàn)出極大的規(guī)模化應(yīng)用前景。然而，聚合物-無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)室溫下離子電導(dǎo)率低、界面穩(wěn)定性較差等問題卻嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)聚合物復(fù)合固體電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率低、界面穩(wěn)定性差等難題，劉向峰教授等人首次提出了“競(jìng)爭(zhēng)配位誘導(dǎo)效應(yīng)”(Competitive Coordination Induction Effect，CCIE)的新概念，并基于CCIE設(shè)計(jì)、開發(fā)了具有高離子電導(dǎo)率和高界面穩(wěn)定性的聚合物-無機(jī)復(fù)合固體電解質(zhì)材料。30?C下，聚合物復(fù)合固體電解質(zhì)電導(dǎo)率高達(dá)6.25×10-4 S cm-1。在不添加界面潤(rùn)濕劑的情況下，構(gòu)筑的全固態(tài)電池在 30℃ 溫度下具有非常優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性。此外，借助多種譜學(xué)技術(shù)和理論計(jì)算等手段揭示了聚合物-無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中局域配位結(jié)構(gòu)與鋰離子遷移、界面化學(xué)之間的重要關(guān)聯(lián)。該工作為開發(fā)高性能聚合物復(fù)合電解質(zhì)及全固態(tài)鋰金屬電池提供了一種重要思路。該研究成果近期發(fā)表于國(guó)際著名期刊 Angewandte Chemie International Edition .(DOI: 10.1002/anie.202400960)，并被評(píng)選為“Hot Paper”。文章第一作者是2022級(jí)碩士生王騰輝，陳步天為共同第一作者。
 

圖2.競(jìng)爭(zhēng)配位誘導(dǎo)效應(yīng)機(jī)理示意圖
 

　　水系鋅離子電池因安全、無毒、高容量等特點(diǎn)，成為最具潛力的可持續(xù)儲(chǔ)能技術(shù)之一。但亟待解決的關(guān)鍵問題是如何獲得具有高放電深度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的無枝晶鋅負(fù)極。劉向峰教授、張?zhí)烊桓苯淌诘热送ㄟ^調(diào)控金屬與配位原子之間的電子相互作用，成功逆轉(zhuǎn)了金屬氮碳催化劑“疏鋅/親水”的固有特性，進(jìn)而制備出“親鋅/疏水”的不對(duì)稱催化體系，成功實(shí)現(xiàn)了均勻Zn沉積和高放電深度下的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性，該研究為解決水系鋅離子電池深度放電下的鋅枝晶問題提供了新策略，同時(shí)為高性能水系二次電池關(guān)鍵材料開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。該成果近期發(fā)表于國(guó)際著名期刊 Advanced Materials   ( 2024, 2311637), 文章第一作者是2023級(jí)碩轉(zhuǎn)博研究生楊梓藝同學(xué)。
 

圖3.“親鋅/疏水”的不對(duì)稱催化體系構(gòu)筑及高放電深度下的長(zhǎng)循環(huán)
 

　　以上工作得到了德國(guó)光源、東莞散裂中子源、上海同步輻射光源等大科學(xué)裝置平臺(tái)支持以及國(guó)家自然科學(xué)基金、CAS-DOE國(guó)際合作項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院重大儀器研制、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、中央高校基本建設(shè)經(jīng)費(fèi)等資助。