1. 多层结构聚合物电解质用于拓宽电解质的稳定窗口
近年来随着锂离子电池的逐渐大规模应用，市场对其安全性和能量密度提出了更高的要求。目前电池的安全隐患主要是由易燃的液体电解质导致的。固态锂电池在提高电池安全性和提高能量密度方面具有广阔的应用前景。然而，无论是无机陶瓷/玻璃，还是有机聚合物电解质，其应用都受到了各自的挑战，如无机电解质/锂金属负极界面电阻大、并且伴随着严重的枝晶生长，聚合物电解质的电化学窗口较窄、并且室温导离子率较低等。纯的聚合物固态电解质和聚合物基的复合固态电解质薄膜的优势是柔韧性高、与金属锂负极的界面稳定性较高，同时可以批量制备成薄膜，有利于提高电池的能量密度。但是单一聚合物电解质的氧化还原窗口较窄，不能同时兼容低电势的锂金属负极和高电势的三元正极材料LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC)，而NMC正极材料不仅拥有较高的体积和重量能量密度，同时具有很好的循环稳定性，是目前商用动力电池的主要正极材料。如果能开发出以NMC为正极材料的固态锂电池，将进一步的推动固态电池的实用化。
图1. 双聚合物固态电解质示意图
高精尖中心**教授李玉良院士和中心客座研究员周伟东课题组利用固体聚合物电解质难以扩散的特性，提出了双聚合物固态电解质模型：如图1所示，使用低电压稳定的聚合物层与负极接触、而高电压稳定的聚合物层与正极接触，从而构建双层的聚合物电解质。由于固态聚合物的扩散性很低，使得整体聚合物电解质显示出了更宽的电化学稳定窗口，达到了电化学的兼容性。同时由于NMC正极材料可化学催化聚合物电解质的分解，对NMC颗粒进行了超薄的表面包覆，使得聚合物电解质体系可同时与锂金属负极和NMC正极均形成稳定的界面，从而提高电池的循环寿命，为未来的实用型固态NMC电池提供了理想的电池模型和电解质材料，相关结果发表在Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2002416和Adv. Mater.,2019, 31, 1805574（ESI 高被引）。同时，李玉良院士和周伟东教授共同总结了石墨炔炭材料在储能器件界面处理问题的最新研究进展，相关内容发表在Acc. Chem. Res., 2020, 53, 459-469.
2. 多层结构陶瓷电解质用于抑制全固态电池的锂枝晶
近年来，以石榴石结构Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12（LLZTO）所代表的陶瓷电解质，由于其与锂金属具有优异的化学稳定性、高离子导电性和绝对不燃性而备受关注。然而，在LLZTO/Li的固-固界面上，存在着巨大的界面电阻和严重的锂支晶生长，严重阻碍了LLZTO的应用，主要是由于晶界、孔隙和缺陷以及界面润湿性差，界面和内部离子/电子不均匀导致的。结合前期的研究基础（Angew Chem. Int. Ed.2017, 56, 753），该课题组在LLZTO表面烧结一层Ti掺杂的LLZTO(Ti-LLZTO)，不仅比未掺杂的LLZTO具有更高的密度和更少的缺陷，而且可以与金属锂原位反应生成一层混合离子-电子导体界面层，均匀界面离子流和电场，有利于界面润湿性和枝晶抑制（图2）。
图2.三层陶瓷片电解质的制备过程
通过对比三层结构的Ti-LLZTO/LLZTO/Ti-LLZTO，可以清楚的发现Ti-LLZTO层的致密度更高、孔隙率更低，这些特性有利于抑制界面的锂枝晶的生成。
图3.三层陶瓷片电解质Li/Li对称电池循环后锂枝晶抑制情况的对比图
通过对比固态电池的界面图片可以明显得看到，如图3所示，在电池循环后，单层的LLZTO陶瓷片内部几乎所有的孔洞里面均长满了锂金属，而在Ti-LLZTO/LLZTO/Ti-LLZTO三层陶瓷的截面，内部空隙里面并没有明显的锂金属析出，锂金属均匀的沉积在Ti-LLZTO的表面，即使在大的沉积量3.0mAh/cm2时，仍没有明显的界面锂枝晶。同时，通过监控不同沉积量的锂金属厚度可知，沉积的金属锂展现了疏松的结构，体积明显大于晶相的锂金属，表明了锂金属是无序沉积。该工作为解决固体陶瓷电解质的锂枝晶析出问题提供了一种有效的策略。相关结果近期发表在了Angew Chem. Int. Ed.2020, https://doi.org/10.1002/anie.202014265和Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2001918。
3. 有机/无机复合薄膜材料制备
在锂负极界面设计方面，该课题组与北京师范大学李林教授课题组合作，在传统的多孔Celgard隔膜表面涂布PbZr0.52Ti0.48O3（PZT）颗粒，金属锂负极与PZT发生反应，原位生成一层既导离子又导电子的SEI保护层，均匀化界面电场和锂离子流，有效的抑制锂枝晶的生成，相关结果发表在Adv. Functional Mat., 2020,1907020。进一步的研究发现，MnCO3颗粒涂布的Celgard隔膜，表现出了更好的综合性能，MnCO3涂层与金属锂原位反应生成一层含有金属Mn纳米颗粒、Li2CO3和有机聚合物的原位保护层，在Li∥Li对称电池和Li∥Cu非对称电池中，锂金属的沉积非常均匀，锂枝晶被有效抑制，如图4所示。相关结果于近期发表在Nano Letters, 2020, 20, 3798。
图4. MnCO3颗粒涂布的Celgard隔膜用于锂金属负极的原位保护和枝晶抑制
作者介绍：
李玉良，2015年当选中国科学院院士，中国科学院化学研究所研究员，主要从事以无机化学为基础的交叉科学研究。在全球首次成功合成石墨炔，开辟碳材料研究新领域。在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.，Adv. Mater., PNAS等国际学术杂志上发表论文600余篇。
周伟东，2018年5月加入北京化工大学，博士师从李玉良院士，博士后师从于美国两院院士Héctor Abruña教授，“锂电池之父”诺贝尔奖获得者John B Goodenough教授等国际著名科学家，在JACS，Angew Chem，Adv. Mat.，PNAS，Adv. Energy Mat.，Adv. Functional Mat.，Nano Letter，Acs Nano，Nano Energy等著名期刊发表40余篇研究论文。并申请美国专利12项，中国专利2项，获批6项，转化1项。曾在美国通用汽车全球研发中心和A123动力电池公司等任职。目前主要从事固态电解质与高能正极材料的开发。