材料学院刘向峰团队在高安全动力与储能电池方面取得系列进展
新春伊始，材料学院刘向峰教授团队在高安全动力与储能电池研究方面取得了系列进展。动力与储能电池是实现“双碳”目标以及能源转型的重要途径。锂离子电池已经在3C电子产品、电动汽车、新型储能技术等领域获得广泛应用。但是，锂离子电池引起的安全隐患和事故已经受到极大关切。全固态电池、水系电池等因为不使用有机易燃电解液，能够从根本上解决电池安全性等问题，因而备受关注，也是国内外竞相发展的前沿领域。
高性能固体电解质材料的缺失以及固-固界面阻抗大、界面相容性差等问题严重制约了固态电池的发展和实际应用。针对固态电池存在的关键科学问题和技术难题，刘向峰教授等人首次成功构建了基于富锂锰基正极材料和石榴石型氧化物固体电解质的高比能、高倍率、高循环稳定性的全固态电池。电压衰减也得到了显著抑制，由液态电池下的2.96 mV/圈下降到0.66 mV/圈。此外，该团队还通过共振非弹性谱仪等先进手段首次揭示了富锂锰基氧化物正极材料在固态电池条件下的氧阴离子氧化还原行为，发现与液态电池条件下相比，其氧阴离子氧化还原反应的可逆性具有显著提高。该工作对基于高容量富锂锰基氧化物正极材料的全固态电池研究具有十分重要的推进作用。该成果近期发表于国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition.（2024, 63，e202315856），文章第一作者是2021级博士研究生陈步天。
图1. 基于富锂锰基氧化物正极材料的高性能固态电池.
聚合物-无机复合固态电解质因具有低成本、易加工、高柔韧性及良好界面相容性等特点而展现出极大的规模化应用前景。然而，聚合物-无机复合固态电解质室温下离子电导率低、界面稳定性较差等问题却严重阻碍了其实际应用。针对聚合物复合固体电解质室温离子电导率低、界面稳定性差等难题，刘向峰教授等人首次提出了“竞争配位诱导效应”（Competitive Coordination Induction Effect，CCIE）的新概念，并基于CCIE设计、开发了具有高离子电导率和高界面稳定性的聚合物-无机复合固体电解质材料。30︒C下，聚合物复合固体电解质电导率高达6.25×10-4 S cm-1。在不添加界面润湿剂的情况下，构筑的全固态电池在 30℃ 温度下具有非常优异的循环稳定性和倍率特性。此外，借助多种谱学技术和理论计算等手段揭示了聚合物-无机复合固态电解质中局域配位结构与锂离子迁移、界面化学之间的重要关联。该工作为开发高性能聚合物复合电解质及全固态锂金属电池提供了一种重要思路。该研究成果近期发表于国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition.（DOI: 10.1002/anie.202400960），并被评选为“Hot Paper”。文章第一作者是2022级硕士生王腾辉，陈步天为共同第一作者。
图2.竞争配位诱导效应机理示意图
水系锌离子电池因安全、无毒、高容量等特点，成为最具潜力的可持续储能技术之一。但亟待解决的关键问题是如何获得具有高放电深度和长循环寿命的无枝晶锌负极。刘向峰教授、张天然副教授等人通过调控金属与配位原子之间的电子相互作用，成功逆转了金属氮碳催化剂“疏锌/亲水”的固有特性，进而制备出“亲锌/疏水”的不对称催化体系，成功实现了均匀Zn沉积和高放电深度下的长循环稳定性，该研究为解决水系锌离子电池深度放电下的锌枝晶问题提供了新策略，同时为高性能水系二次电池关键材料开发奠定了基础。该成果近期发表于国际著名期刊Advanced Materials （2024, 2311637）, 文章第一作者是2023级硕转博研究生杨梓艺同学。
图3.“亲锌/疏水”的不对称催化体系构筑及高放电深度下的长循环.
以上工作得到了德国光源、东莞散裂中子源、上海同步辐射光源等大科学装置平台支持以及国家自然科学基金、CAS-DOE国际合作项目、中国科学院重大仪器研制、中国科学院先导专项、中央高校基本建设经费等资助。
