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本科就发表10篇SCI,哈佛全奖直博,研究成果今日问鼎《Nature》!
2021年05月13日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

在电子科技大学能源科学与工程学院,有一位本科期间就发表10篇SCI的科研大神。

他叫叶露涵, 哈佛大学全奖直博,2016年度成电杰出学生,四川省优秀毕业生。连续两年排名专业第一,三年综合素质排名专业第一,两次获得国家奖学金、唐立新奖学金、人民一等奖学金中国化工网okmart.com。大学期间,在Advanced Energy Materials, Journal of Power Sources等国际期刊上发表SCI文章10篇,其中以第一作者发表SCI论文5篇;申请中国专利一项,美国专利一项。

在高考填报志愿的时候,怀着对新能源材料的热爱,叶露涵选择了电子科大能源科学与工程学院。进入大学,师从省“千人计划”入选者何伟东教授,在老师的指导下,叶露涵每天基本都是看文献,学习经典公式,一有想法就跟导师讨论,基本没有周末,寒暑假他都只能回家待一周。仅大一一年,叶露涵精读了300多篇各个优秀期刊的论文,组装了上千个电池。在科研的同时,他还兼顾学业,大学三年,他保持着专业第一,专业相关的课程成绩基本上都保持在90分以上。

毕业后,叶露涵申请海外高校进行深造。哈佛大学李鑫教授给他写的推荐信里写道:“叶露涵在本科期间接受了良好的学术训练,有超越一般本科生的创造性和对于科研的热情。他表现出的科研水平让我相信他具有成为哈佛或MIT博士生的潜质。事实上,在我见过的本科生当中他的科研表现是出类拔萃的。”

最终,叶露涵成功拿到哈佛大学全额奖学金直博,进入李鑫教授课题组研究锂金属电池。

在固态锂金属电池领域取得突破进展,问鼎《Nature》

固态锂金属电池由于具有高容量、高能量密度和高安全性,被认为是电池化学的圣杯。与传统的锂离子电池相比,固态锂金属电池在相同的体积内可容纳更多的能量,并且充电时间仅占一小部分。

然而,由于高电流密度下锂枝晶的形成和穿透,固态锂金属电池的稳定性一直很差。当电流密度大于临界电流密度(CCD)时,在锂阳极表面会形成称为树突的针状结构。这些结构像根一样生长渗透到电解质中,继而刺穿隔膜,导致电池短路甚至着火。

为了克服这一挑战,哈佛大学李鑫教授团队创新地设计了一种具有分级界面稳定性(对锂金属响应)层次结构的固态锂金属电池,以实现超高电流密度并防止锂枝晶的渗透。该电池可以在高电流密度(20 C)下充放电循环至少10000次,只需10-20分钟便可以充满电!据悉,这种电池技术可以将电动汽车的使用寿命延长到汽油汽车的使用寿命(10-15年),而无需更换电池。研究成果以“A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries”为题,于2021年5月13日凌晨发表在《Nature》上。文章的第一作者为叶露涵博士,通讯作者为哈佛大学李鑫教授。

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类培根生菜番茄三明治 (BLT-Sandwich)的结构设计

为了控制锂枝晶的生长和渗透,叶博士等人设计了一种类似BLT 三明治结构的多层电池(图1),在锂金属阳极和阴极之间夹有不同界面稳定性的石墨涂层和电解质。

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图1. 类似BLT 三明治结构的多层电池设计。

可以将电池想像为一份BLT三明治,其中面包代表锂金属阳极,生菜代表石墨涂层,西红柿为第一种电解质,培根为第二种电解质,另一块面包代表阴极材料。其中,第一种电解质为陶瓷硫化物固态电解质Li5.5PS4.5Cl1.5(LPSCI),对锂稳定性较好,但易于枝晶渗透;第二种电解质为陶瓷硫化物固态电解质Li10GeP2S12 (LGPS),对锂稳定性较差,但对枝晶免疫,可以阻挡锂枝晶的渗透。

在这种设计中,核心理念是:允许锂枝晶生长穿过石墨和第一种电解质LPSCI,但当它们到达第二种电解质LGPS时被阻止,从而可实现电池在高电流密度下稳定运行。换句话说,树突可以通过生菜和番茄生长,但培根作为屏障可防止锂枝晶穿透。


图2. 多层结构设计的效果图。其中,绿色为LPSCl电解质,允许锂枝晶的生长和渗透,棕色为第二种电解质LGPS,对锂不稳定,但对枝晶免疫,可以阻挡其渗透。

基于上述设计,作者提出了一种类似于膨胀螺杆效应(图3g)的机制,其中锂枝晶是螺杆,与局部应变相关的电解质分解是锚的一部分,周围的原始电解质是干墙。在循环过程中产生的任何裂纹都由动态生成的电解质分解产物填充,以抑制锂枝晶的渗透。


图3. 循环后固体电解质的结构,化学成分和形态。

具有多层结构设计的全固态电池性能

作者将锂金属阳极与微米级单晶颗粒的高压NMC811阴极配对,加上多层电解质设计,组装成软包全电池。

结果表明,在高温(55°C)和1.5C的倍率下,固态电池的初始容量为155.7 mAh g-1,循环1000圈的容量保持率为高达92.8%,循环2000圈的容量保持率为81.3%(图4a–c)。

在高达20 C(相当于8.6 mA cm-2)的倍率下,电池运行5000次循环后容量保持率高达90%,在10000次循环后容量保持率高达82%(图4g-h)。如此高电流密度下的长循环寿命表明,该系统中没有发生有害的副反应和枝晶渗透,这在之前锂金属电池系统中(无论电解质是固体还是液体)均没有报道。


图4. 多层设计的固态电池的循环性能。

作者表示,多层结构的稳定性源自电化学稳定性和不稳定性的设计组合,这种组合对电池组件的电解质厚度和微米级裂纹密度不敏感,从而可以进一步减小电解质层的厚度。

从工程学角度来看,多层设计所固有的灵活性和多功能性能够与电池行业的规模化生产程序兼容,有望将来进一步优化电解质层的厚度和机械柔性,而不牺牲电池的安全性和电化学性能。

参考文献:

Ye, L., Li, X. A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries. Nature 593, 218–222 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03486-3


标签:化工应用化工原料技术中心生物化学
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