【儀表網 研發快訊】新春伊始，材料學院劉向峰教授團隊在高安全動力與儲能電池研究方面取得了系列進展。動力與儲能電池是實現“雙碳”目標以及能源轉型的重要途徑。鋰離子電池已經在3C電子產品、電動汽車、新型儲能技術等領域獲得廣泛應用。但是，鋰離子電池引起的安全隱患和事故已經受到極大關切。全固態電池、水系電池等因為不使用有機易燃電解液，能夠從根本上解決電池安全性等問題，因而備受關注，也是國內外競相發展的前沿領域。
 

　　高性能固體電解質材料的缺失以及固-固界面阻抗大、界面相容性差等問題嚴重制約了固態電池的發展和實際應用。針對固態電池存在的關鍵科學問題和技術難題，劉向峰教授等人首次成功構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的高比能、高倍率、高循環穩定性的全固態電池。電壓衰減也得到了顯著抑制，由液態電池下的2.96 mV/圈下降到0.66 mV/圈。此外，該團隊還通過共振非彈性譜儀等先進手段首次揭示了富鋰錳基氧化物正極材料在固態電池條件下的氧陰離子氧化還原行為，發現與液態電池條件下相比，其氧陰離子氧化還原反應的可逆性具有顯著提高。該工作對基于高容量富鋰錳基氧化物正極材料的全固態電池研究具有十分重要的推進作用。該成果近期發表于國際著名期刊 Angewandte Chemie International Edition .(2024, 63，e202315856)，文章第一作者是2021級博士研究生陳步天。
 

圖1. 基于富鋰錳基氧化物正極材料的高性能固態電池.
 

　　聚合物-無機復合固態電解質因具有低成本、易加工、高柔韌性及良好界面相容性等特點而展現出極大的規模化應用前景。然而，聚合物-無機復合固態電解質室溫下離子電導率低、界面穩定性較差等問題卻嚴重阻礙了其實際應用。針對聚合物復合固體電解質室溫離子電導率低、界面穩定性差等難題，劉向峰教授等人首次提出了“競爭配位誘導效應”(Competitive Coordination Induction Effect，CCIE)的新概念，并基于CCIE設計、開發了具有高離子電導率和高界面穩定性的聚合物-無機復合固體電解質材料。30?C下，聚合物復合固體電解質電導率高達6.25×10-4 S cm-1。在不添加界面潤濕劑的情況下，構筑的全固態電池在 30℃ 溫度下具有非常優異的循環穩定性和倍率特性。此外，借助多種譜學技術和理論計算等手段揭示了聚合物-無機復合固態電解質中局域配位結構與鋰離子遷移、界面化學之間的重要關聯。該工作為開發高性能聚合物復合電解質及全固態鋰金屬電池提供了一種重要思路。該研究成果近期發表于國際著名期刊 Angewandte Chemie International Edition .(DOI: 10.1002/anie.202400960)，并被評選為“Hot Paper”。文章第一作者是2022級碩士生王騰輝，陳步天為共同第一作者。
 

圖2.競爭配位誘導效應機理示意圖
 

　　水系鋅離子電池因安全、無毒、高容量等特點，成為最具潛力的可持續儲能技術之一。但亟待解決的關鍵問題是如何獲得具有高放電深度和長循環壽命的無枝晶鋅負極。劉向峰教授、張天然副教授等人通過調控金屬與配位原子之間的電子相互作用，成功逆轉了金屬氮碳催化劑“疏鋅/親水”的固有特性，進而制備出“親鋅/疏水”的不對稱催化體系，成功實現了均勻Zn沉積和高放電深度下的長循環穩定性，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，同時為高性能水系二次電池關鍵材料開發奠定了基礎。該成果近期發表于國際著名期刊 Advanced Materials   ( 2024, 2311637), 文章第一作者是2023級碩轉博研究生楊梓藝同學。
 

圖3.“親鋅/疏水”的不對稱催化體系構筑及高放電深度下的長循環
 

　　以上工作得到了德國光源、東莞散裂中子源、上海同步輻射光源等大科學裝置平臺支持以及國家自然科學基金、CAS-DOE國際合作項目、中國科學院重大儀器研制、中國科學院先導專項、中央高校基本建設經費等資助。