中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員，博士生導(dǎo)師，國務(wù)院特殊津貼專家，國家杰青和國家萬人計(jì)劃?！笆濉眹抑攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車專項(xiàng)—高比能固態(tài)電池項(xiàng)目負(fù)責(zé)人（首席科學(xué)家）。中科院深海智能技術(shù)先導(dǎo)專項(xiàng)副總師（固態(tài)電池基深海能源體系）。青島市儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院執(zhí)行院長、中科豐元高性能鋰電池材料研究院執(zhí)行院長、國際聚合物電解質(zhì)委員會(huì)理事、中國造船工程學(xué)會(huì)第一屆深海裝備技術(shù)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、國際儲(chǔ)能與創(chuàng)新聯(lián)盟理事、中國硅酸鹽學(xué)會(huì)固態(tài)離子學(xué)分會(huì)理事、中國化學(xué)會(huì)電化學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員、中國化學(xué)會(huì)有機(jī)固體專業(yè)委員會(huì)委員、中國化學(xué)會(huì)能源化學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員、Macromolecular Chemistry and Physics國際咨詢委員會(huì)委員等。崔光磊研究院課題組主要從事低成本高效能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換器件的研究。十幾年來針對(duì)儲(chǔ)能與動(dòng)力電池領(lǐng)域關(guān)鍵瓶頸問題，開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究；開展儲(chǔ)能領(lǐng)域材料、器件中關(guān)鍵工程技術(shù)研發(fā)。近兩個(gè)月來崔光磊研究員課題組更是碩果累累，發(fā)表了多篇高水平論文。1AFM：多功能氰基硅氧烷添加劑，助力高溫高電壓超高鎳鋰離子電池長循環(huán)為了解決電動(dòng)汽車的續(xù)航焦慮，迫切需要開發(fā)具有更高能量密度的鋰離子電池。提高鋰離子電池能量密度的重要方向之一是采用具有高理論比容量和高工作電壓的層狀高鎳三元材料作為電池的正極材料。然而，將層狀三元正極中鎳含量提高到更高水平時(shí)（Ni≥0.8），就會(huì)不可避免地加劇過渡金屬溶解、表面相變、顆粒開裂、熱穩(wěn)定性差等問題，超高鎳鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全性將顯著降低。眾所周知，發(fā)展電解液功能添加劑是改善鋰離子電池循環(huán)壽命和安全性最經(jīng)濟(jì)有效的策略之一。然而，因?yàn)槌哝囦囯x子電池體系的化學(xué)/電化學(xué)環(huán)境更加復(fù)雜，一些適合中低鎳鋰離子電池的添加劑對(duì)于超高鎳鋰離子電池的改善效果一般。因此，亟需設(shè)計(jì)開發(fā)能夠顯著提升超高鎳鋰離子電池性能的電解液功能添加劑。近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員，崔子立副研究員，許高潔副研究員等人將氰基官能團(tuán)（-CN）引入到硅氧烷中，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)合成了新型氰基硅氧烷多功能添加劑（TDSTCN）。該添加劑可以極大地提高NCM90/Gr全電池在4.5V的高電壓和50℃的高溫下的循環(huán)壽命。這主要得益于：1. TDSTCN中的-CN官基團(tuán)可以通過與過渡金屬的吸附/配位效應(yīng)，在超高鎳正極表面誘導(dǎo)形成富含-CN官能團(tuán)的高牢固穩(wěn)定性CEI膜；2. TDSTCN中的硅氧烷基團(tuán)可以抑制LiPF6水解并清除腐蝕性HF；3. TDSTCN添加劑還有利于形成富含LiF的SEI膜，這可以防止石墨（Gr）負(fù)極在高溫下剝離。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)具有多種官能團(tuán)的新型功能添加劑對(duì)于提升超高鎳鋰離子電池的循環(huán)性能的重要意義。這項(xiàng)工作為超高鎳LIBs新型功能添加劑的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了深入見解。相關(guān)成果以題為“Delicately Designed Cyano-Siloxane as Multifunctional Additive Enabling High Voltage LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2/Graphite Full Cell with Long Cycle Life at 50 ℃”的論文發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》上。https://doi.org/10.1002/adfm.2023024112AEM：非配位阻燃劑調(diào)控溶劑化結(jié)構(gòu)輔助PC基電解液實(shí)現(xiàn)高比能鋰離子電池隨著鋰離子電池能量密度的進(jìn)一步提高，鋰離子電池的安全問題日益突出。在鋰離子電池?zé)崾Э氐倪^程中，電解液參與幾乎每一個(gè)放熱反應(yīng)，而傳統(tǒng)的商用電解液由熱不穩(wěn)定的鋰鹽LiPF6和易燃性碳酸酯溶劑組成。因此，設(shè)計(jì)高安全新型電解液顯得尤為重要。近幾年，氟化環(huán)磷腈在降低電解液可燃性、防止過充和優(yōu)先成膜等方面表現(xiàn)突出，引起了研究者們的極大興趣。另一方面，在鋰離子電池誕生之前，碳酸丙烯酯（PC）因其寬液程、高閃點(diǎn)、高介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)比碳酸乙烯酯（EC）更受青睞。然而，當(dāng)PC含量>30 vol.%后，在石墨表面無法形成穩(wěn)定且具有保護(hù)性的界面，從而不能實(shí)現(xiàn)鋰離子的可逆脫嵌。此外，PC基電解液對(duì)隔膜的潤濕性極差進(jìn)一步阻礙了其在鋰電中的應(yīng)用。時(shí)至今日，PC剝離及抑制石墨機(jī)理仍缺乏深刻理解，因此，探究PC-石墨剝離機(jī)理并設(shè)計(jì)高含量PC（>50 vol.%）電解液實(shí)現(xiàn)其在高容量鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用十分必要。近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員，許高潔副研究員、杜曉璠副研究員等人創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一種PC/FPPN基電解液，其中非配位阻燃劑五氟（苯氧基）環(huán)三磷腈（FPPN）輔助的PC基電解液能實(shí)現(xiàn)與石墨負(fù)極高兼容性，同時(shí)電解液表現(xiàn)出阻燃性、高氧化穩(wěn)定性和優(yōu)異的隔膜/電極浸潤性。一方面FPPN的加入降低了Li+-PC的靜電相互作用，從而調(diào)整電解液溶劑化結(jié)構(gòu)，加速Li+脫溶劑化過程。另一方面，F(xiàn)PPN因具有較低的LUMO值優(yōu)先在石墨負(fù)極還原生成富無機(jī)的SEI膜，同時(shí)，F(xiàn)PPN有效地抑制了PC基電解液循環(huán)過程產(chǎn)生的大量氣體副產(chǎn)物，保證了在PC基電解液中實(shí)現(xiàn)鋰離子對(duì)石墨負(fù)極的可逆脫嵌。此外，使用LiTFSI和LiDFOB優(yōu)化后的PC/FFPN基電解液使得LiCoO2/石墨軟包電池（4.35V,~2.6 Ah, ~242 Wh kg-1）具有長循環(huán)壽命和高安全特性，電池循環(huán)277圈仍能保持80.1%的容量保持率和高安全性能。本文深刻地探索了對(duì)PC-石墨兼容性問題的理解，并促進(jìn)PC基電解質(zhì)（PC>50 vol.%）的鋰離子電池的發(fā)展和商業(yè)化進(jìn)程。不僅為新型高安全電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了寶貴的見解，更重要的是對(duì)電池的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都具有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)成果以題為“Transformed Solvation Structure of Noncoordinating Flame-Retardant Assisted Propylene Carbonate Enabling High Voltage Li-ion Batteries with High Safety and Long Cyclability”的論文發(fā)表在國際權(quán)威期刊Advanced Energy Materials上。https://doi.org/10.1002/aenm.2023006843EES：原位聚合物鋰鹽作為固態(tài)電解質(zhì)使高安全性的鋰金屬電池成為可能聚合物電解質(zhì)具有優(yōu)異的靈活性和與鋰金屬的高度兼容性等優(yōu)點(diǎn)，使鋰金屬電池（LMB）能夠高度安全地運(yùn)行。然而，目前大多數(shù)聚合物電解質(zhì)都不能滿足LMB實(shí)際應(yīng)用的要求。為了解決這一問題，近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員，崔子立副研究員，許高潔副研究員等人采用熱誘導(dǎo)原位聚合全氟頻哪醇鋁酸鋰(LiFPA)，提出了一種新的界面相容且安全的單離子導(dǎo)電3D聚合物電解質(zhì)（3D SIPE-LiFPA）。3D SIPE-LiFPA的Li+溶劑化殼層富含聚FPA，聚FPA上固定了一些EMC和FEC分子。研究表明，具有獨(dú)特聚陰離子結(jié)構(gòu)的3D SIPE LiFPA形成了富含無機(jī)含鋁物種的獨(dú)特SEI層，成功保護(hù)鋰陽極。對(duì)于NCM811陰極，3D SIPE LiFPA衍生的CEI層防止TM離子價(jià)態(tài)的降低，進(jìn)而阻止TM的溶解和晶體結(jié)構(gòu)的破壞。構(gòu)建的3D SIPE-LiFPA使NCM811/Li電池具有優(yōu)異的循環(huán)壽命和高安全性，其中能量密度為437 Wh kg-1的軟包電池在60次循環(huán)后容量保持率為95.4%。更重要的是，使用3D SIPE LiFPA的軟包NCM811/Li電池的放熱起始溫度和熱失控溫度分別分別提高34℃和72℃。本工作開創(chuàng)了聚合鋰鹽作為聚合物電解質(zhì)的先例，同時(shí)使實(shí)用的LMB具有優(yōu)異的循環(huán)壽命和高的熱安全性。相關(guān)成果以題為“In situ-polymerized lithium salt as a polymer electrolyte for high-safety lithium metal batteries”發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Energy Environmental Science》上。https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d3ee00558e4AFM：自極化分子鐵電體正極包覆層助力高性能全固態(tài)鋰電池全固態(tài)鋰電池相比于傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池具有更高的安全性和更高的能量密度，被認(rèn)為是最具潛力的下一代儲(chǔ)能技術(shù)。然而，全固態(tài)鋰電池電極/電解質(zhì)界面處復(fù)雜的界面問題極大限制了鋰離子的傳輸、制約了電池容量的發(fā)揮。因此，增強(qiáng)鋰離子在電極/電解質(zhì)界面處的傳輸能力是獲得高能量密度全固態(tài)鋰電池的必要前提。近日，青島能源所崔光磊研究員、馬君副研究員、南京理工大學(xué)劉震教授以及青島大學(xué)溫崢教授等人通過簡(jiǎn)單環(huán)保的溶劑蒸發(fā)法將分子鐵電體高氯酸胍(GClO4)包覆在LiCoO2正極顆粒的表面。由于GClO4和LiCoO2晶胞體積存在的差異，使得GClO4包覆在LiCoO2表面之后因晶胞失配產(chǎn)生了撓曲電效應(yīng)，誘使GClO4中鐵電偶極子發(fā)生定向排列，產(chǎn)生了垂直于正極顆粒表面向下的鐵電內(nèi)建電場(chǎng)。該電場(chǎng)可以將Li6PS5Cl電解質(zhì)中的鋰離子遷移至LiCoO2/GClO4/Li6PS5Cl三相界面處，從而實(shí)現(xiàn)了抑制空間電荷層、提升鋰離子傳輸?shù)哪康摹?/span>電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，改性后的電池性能得到了顯著提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鐵電包覆層具有單疇的、垂直于正極顆粒表面向上的極化狀態(tài)，這直接關(guān)系到鐵電內(nèi)建電場(chǎng)的有效構(gòu)建和作用發(fā)揮，即影響正極/電解質(zhì)界面的鋰離子傳輸行為。有限元和第一性原理計(jì)算證實(shí)，鐵電材料與正極材料之間的晶胞失配誘使鐵電包覆層產(chǎn)生了撓曲電效應(yīng)，進(jìn)而得到了特殊的鐵電極化狀態(tài)。該工作首次提出了正極和電解質(zhì)之間鐵電內(nèi)置電場(chǎng)的構(gòu)建機(jī)制，為鐵電材料增強(qiáng)鋰電池性能的研究提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)成果以題為“Self-Polarized Organic–Inorganic Hybrid Ferroelectric Cathode Coatings Assisted High Performance All-Solid-State Lithium Battery”發(fā)表在國際知名期刊《Advanced Functional Materials》上。
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