黄云辉JEC：用于锂金属电池提高PEO电导率和稳定界面的电解质添加剂

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第一作者：王豪南

通讯作者：许恒辉，黄云辉

单位：华中科技大学

聚环氧乙烷（PEO）因其高韧性、低密度和优异的界面相容性而被广泛关注。然而，PEO的高结晶度导致其电导率偏低。同时，循环过程中PEO与锂金属之间形成的不稳定的SEI导致其临界电流密度较低，无法应用于大电流条件下的快充技术。这两点大大限制了PEO基电解质的规模化应用。因此，寻找一种能够提高电导率同时可以稳定界面的方法对于PEO基电解质的商业化发展有重要意义。

近日，华中科技大学黄云辉课题组在《Journal of Energy Chemistry》上发表了题为“Bifunctional LiI additive for poly(ethylene oxide) electrolytewith high ionic conductivity and stable interfacial chemistry”的文章。研究人员将LiI作为一种添加剂引入到PEO基电解质中，通过碘离子与PEO链段上的氢原子相互作用产生交联效果，降低结晶度，提高电导率。同时，在循环过程中碘离子通过参与SEI的形成构筑保护层，从而稳定界面，抑制枝晶生长，提高临界电流密度。基于此，使用LiI作为添加剂的PEO基电解质实现了高的离子电导和稳定的全电池循环。这种设计为商业化的全固态电解质的制备提供了一条新的途径。

要点一：LiI引入降低PEO基电解质结晶度

图1.（a）PEO-0LiI和（b）PEO-2LiI表面形貌的SEM图像。不同LiI含量的PEO基电解质的（c）XRD图谱、（d）DSC图谱、（e）阿伦尼乌斯曲线、及（f）锂离子迁移数图谱。

要点二：碘离子与PEO之间的相互作用

图2.（a）电解质膜的FTIR图谱。（b）碘离子与PEO高分子链作用原理示意图。电解质膜的（c）1H谱、（d）7Li谱的核磁、及（e）拉曼表征。

要点三：Li-Li对称电池测试

图3.45℃下的Li-Li对称电池测试。（a）EIS测试曲线。（b）临界电流密度曲线。（c）Li-Li对称电池的倍率和长循环性能。搭配PEO-0LiI电解质的锂负极循环后的SEM（d）表面形貌和（e）截面形貌。搭配PEO-2LiI电解质的锂负极循环后的SEM（f）表面形貌和（g）截面形貌。

要点四：负极界面成分分析

图4.（a）循环后锂金属表面XPS表征。（b）循环后锂金属表面各成分占比的饼状图。（c）引入LiI后的锂负极/电解质界面成分示意图。

要点五：全电池性能

图5.45℃下全电池性能测试。搭配磷酸铁锂正极的（a）倍率性能、（b）电压曲线及（c）长循环性能。搭配三元锂正极的（d）倍率性能、（e）电压曲线及（f）长循环性能。搭配磷酸铁锂正极的软包全电池的（g）长循环性能及（h）循环前后的超声测试对比图像。

Bifunctional LiI additive for poly(ethylene oxide) electrolyte with high ionic conductivity and stable interfacial chemistry

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.02.041

黄云辉 教授：华中科技大学教授，博士生导师，2010-2017年任材料科学与工程学院院长，现为校学术委员会副主任，同济大学兼职教授；国家杰出青年科学基金获得者，新世纪百千万人才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者。在北京大学获得学士、硕士和博士学位，先后在复旦大学、日本东京工业大学、美国得州大学奥斯汀分校工作或从事博士后研究。

曾师从高小霞先生和徐光宪先生从事电分析化学和稀土无机化学研究，2004-2007年师从诺贝尔化学奖得主John B. Goodenough教授从事锂离子电池和固体氧化物燃料电池研究，2008年回国工作。主要研究领域为新能源材料与器件，包括锂离子电池、下一代电池（锂硫电池、锂空气电池）、钠离子电池、固体氧化物燃料电池，在Science、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等期刊上发表学术论文400余篇，论文被引用3万次，H-因子84，入选科睿唯安材料领域全球高被引科学家（2018、2019）和爱思唯尔中国高被引学者（2018、2019），授权或公开专利40余件。2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖（均排1）。

许恒辉 研究员：华中科技大学研究员、博士生导师、华中学者、湖北省海外高层次人才“百人计划”和“武汉英才”产业领军人才入选者。于2010年和2015年分别获得武汉理工大学学士和华中科技大学博士学位，随后在美国得克萨斯大学奥斯汀分校电化学专家 Arumugam Manthiram 教授和“锂电池之父”John B. Goodenough 院士（2019诺贝尔化学奖得主）等世界著名课题组从事先进电化学储能材料与器件的基础与应用研究。在固态锂电池领域取得了一系列学术成果：在国际学术期刊上发表论文共40 余篇，论文总被引5000余次，其中包括 Proc. Natl. Acad. Sci.、 Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、 Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater. Nano Lett.、Nano Energy、和Chem. Mater.等。应邀担任包括 Joule, Nano Energy, Solid State Ionics, ACS Appl. Mater. Interfaces 等在内的多个国际学术期刊的审稿人，担任Materials期刊客座编辑，稀有金属和结构化学期刊青年编委。

动力与储能电池实验室成立于2008年，以华中科技大学材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为依托，实验室现有教授(博导)4名、副教授2名、讲师1名、博士后8名、在读博士研究生20名、硕士研究生20余名。

研究方向主要包括锂离子动力与储能电池、下一代电池、固体氧化物燃料电池以及关键材料等。实验室承担了国家杰出青年基金科学项目、国家自然科学重点、面上及青年基金、科技部863项目、国际合作项目以及企业横向课题等；实验室共发表论文400余篇，其中IF大于10的论文140余篇、ESI高被引论文50余篇、热点论文10篇，引用2.5万余次，授权和公开发明专利30余件。锂离子电池正极材料、电池快充关键技术、电池健康状态超声检测技术及设备等一批成果已实现成果转化和应用。

实验室成立十年来，共培养博士和硕士研究生100余名，其中已毕业的博士研究生中80%赴美国、欧洲等（如麻省理工学院、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、佐治亚理工大学、得州大学奥斯汀分校、马里兰大学等）从事博士后研究，目前已有12人晋升为教授，获国家青年人才计划6人。“储能用高性能复合电极材料的构筑及协同机理”获2015年教育部自然科学一等奖和2016年国家自然科学二等奖。