硫化物全固態(tài)鋰電池的電-化-力耦合失效與解決策略

硫化物全固態(tài)鋰電池的電-化-力崔光磊研究員介紹介紹青島儲(chǔ)能院研究方向Ourgroupsite:/專注于電極/電解質(zhì)界面科學(xué)問(wèn)題、失效機(jī)理，并潛心從事高安全關(guān)鍵電解質(zhì)材料、固態(tài)電池及全海深電源應(yīng)用首次實(shí)現(xiàn)全海深電源系統(tǒng)應(yīng)用示范首次實(shí)現(xiàn)全海深電源系統(tǒng)應(yīng)用示范扭轉(zhuǎn)我國(guó)電纜供電的萬(wàn)米全深?？瓶紝擂尉置媾まD(zhuǎn)我國(guó)電纜供電的萬(wàn)米全深?？瓶紝擂尉置嫔钪懫魈峁┏渥愕哪茉磩?dòng)力，單次續(xù)航長(zhǎng)達(dá)26天，創(chuàng)深海電源單次最長(zhǎng)持續(xù)作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)全球首次萬(wàn)米洋底直播實(shí)現(xiàn)全球首次萬(wàn)米洋底直播為深海環(huán)境探測(cè)、科學(xué)研究提供了有力的電化學(xué)能源技術(shù)支撐2020年11月13日，成功保障“滄?！迸c“奮斗者”的萬(wàn)米深海聯(lián)合作業(yè)6為深海原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站提供了持續(xù)穩(wěn)定的唯一能源動(dòng)力6為深海原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站提供了持續(xù)穩(wěn)定的唯一能源動(dòng)力為深海科考及未來(lái)海疆防護(hù)繪制了長(zhǎng)續(xù)航、高可靠的水下能源供給藍(lán)圖788多物多物理場(chǎng)耦合""""長(zhǎng)長(zhǎng) 能斯特-普朗克方程能斯特-普朗克方程99多物理場(chǎng)多尺度鋰離子遷移與界面息息相關(guān)多級(jí)固-固界面電-化-力失效導(dǎo)致電池性能衰減10效行為效行為池性能G.L.Cui,etal.J.PowerSources,2018,392,94.多物理場(chǎng)理論模擬固態(tài)電池界面失效密度泛函理論鈷酸鋰/密度泛函理論鈷酸鋰/硫化物具有高界面反應(yīng)能和高離子傳輸勢(shì)壘有限元分析鈷酸鋰/有限元分析鈷酸鋰/硫化物界面空間電荷層阻礙鋰離子遷移微觀模擬介觀模擬宏觀模擬有限元分析三元二次顆粒不均勻的體積形變導(dǎo)致顆粒內(nèi)出現(xiàn)裂紋且與電解質(zhì)脫離11,2100881.GL.Cui.Pyys.Chem.ij濃度梯度集中在界面處ij濃度梯度集中在界面處ab電池單向放電ab電池單向放電cc電池多次循環(huán) fG.L.Cui,etal.Adv.EnergyMater.2022,2103714l鋰金屬不均勻沉積/溶l鋰金屬不均勻沉積/溶解，厚度降低增加，有鋰枝晶脫嵌鋰反應(yīng)導(dǎo)致顆粒粉化、解離G.L.Cui,etal.Sci.Bull.基于聚合物/硫化物設(shè)計(jì)復(fù)合電解質(zhì)體系氧化物硫化物聚合物離子電導(dǎo)率電子絕緣性器件集成性器件集成性電子絕緣性電子絕緣性器件集成性器件集成性可加工性離子遷移數(shù)可加工性離子遷移數(shù)可加工性離子遷移數(shù)可加工性機(jī)械穩(wěn)定性氧化穩(wěn)定性機(jī)械穩(wěn)定性氧化穩(wěn)定性機(jī)械穩(wěn)定性氧化穩(wěn)定性機(jī)械穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性還原穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性還原穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性還原穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性還原穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性l創(chuàng)新材料體系：聚合物電解質(zhì)、新型鋰鹽和硫化物電解質(zhì)深藍(lán)匯澤剛?cè)岵?jì)復(fù)合體系基于聚合物/硫化物設(shè)計(jì)復(fù)合電解質(zhì)體系創(chuàng)新材料體系“剛?cè)岵?jì)”電解質(zhì)剛性骨架無(wú)機(jī)快離子導(dǎo)體聚合物柔性離子傳輸材料剛性骨架無(wú)機(jī)快離子導(dǎo)體“剛?cè)岵?jì)”：路易斯酸堿相互作用，構(gòu)造界面滲流能創(chuàng)新聚合物電解質(zhì)分子設(shè)計(jì)——聚合物分子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出系列高性能聚合物電解質(zhì)，兼具寬電化學(xué)窗口和高離子電導(dǎo)率聚乙烯基甲醚-馬來(lái)酸酐聚碳酸亞乙烯酯聚(碳酸亞乙烯酯-丙烯腈)聚偏氟乙烯/聚醋酸乙烯酯聚乙烯基甲醚-馬來(lái)酸酐聚碳酸亞乙烯酯聚(碳酸亞乙烯酯-丙烯腈)聚偏氟乙烯/聚醋酸乙烯酯G.L.Cui,etal.Adv.Sci.,2017,4,1600377(ESI高被引論文);G.L.Cui,etal.Energ.Environ.Sci.,2018,11,1197(ESI高被引論文);G.L.Cui,etal.J.Mater.Chem.A,2019,7,5295;G.L.Cui,etal.Adv.EnergyMater.2020,10,1903939.l應(yīng)邀為國(guó)際專業(yè)頂級(jí)期刊Adv.Matel應(yīng)邀以客座編輯為Macromol.Chem.l國(guó)際顧問(wèn)委員會(huì)和國(guó)際聚合物電解質(zhì)理事LiLi創(chuàng)新聚合物電解質(zhì)分子設(shè)計(jì)——鋰鹽分子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出系列高性能新型鋰鹽，解決高能量密度鋰金屬電池的負(fù)極界面穩(wěn)定性CF3CF3F3COOCF3BOCF3CF3F3COOCF3BOLF3CCF3ll近五年兼容鋰復(fù)合負(fù)極的新型鋰鹽方向發(fā)表文章論文數(shù)量排名第一第二位為西班牙CICengergiGUNE的MichelArmand教授復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的三相滲流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單相滲流雙相滲流三相滲流●硫化物相●硫化物相“三相滲流”復(fù)合電解質(zhì)2.0×10-4Scm-1)G.L.Cuietal.Adv.Sci.2021,3DLPSCl/P(PEGMEA)u三維硫化物(LPSCl)骨架進(jìn)一步提高復(fù)合電解質(zhì)電導(dǎo)率u固態(tài)核磁探究離子的輸運(yùn)行為：連續(xù)無(wú)機(jī)相>連續(xù)界面相>連續(xù)有機(jī)相提升電極和電解質(zhì)自身的導(dǎo)電性G.L.Cui提升電極和電解質(zhì)自身的導(dǎo)電性G.L.Cui.Angew.Chem.Int.Ed.2022,61,e202209626.l原位DPC-STEM技術(shù)直接觀察凈電荷分布，發(fā)現(xiàn)納米尺寸的LiTMO2和Li2MnO3疇結(jié)構(gòu)不均勻分布，導(dǎo)致反應(yīng)不均勻,且鋰離子聚集在電解質(zhì)中。限制容量正常發(fā)揮。l通過(guò)離子交換、共摻雜構(gòu)建O2型富鋰正極，從根本上消除納米尺寸相分離次序化結(jié)晶和異質(zhì)生長(zhǎng)模型次序化結(jié)晶和異質(zhì)生長(zhǎng)模型構(gòu)建鈦酸鋇鐵電修飾層鐵電內(nèi)建電場(chǎng)抑制空間電荷層未修飾修飾后崔光磊.專利202011101181.9外：構(gòu)建鐵電內(nèi)建電場(chǎng)提升界面鋰傳輸動(dòng)力學(xué)G.L.Cuietal.Nat.Commun.2020,11,5889.崔光磊.專利202011101181.9外：設(shè)計(jì)構(gòu)建雙向兼容緩沖層實(shí)現(xiàn)雙功能崔光磊.專利202011101181.9.外：構(gòu)建高楊氏模量修飾層增強(qiáng)力學(xué)性能未修飾正極充電前后未修飾正極充電前后修飾正極充電前后修飾正極充電前后Pristi-—-nel修飾層提高力學(xué)性能（4vs50GPa）G.L.Cuietal.ACSAppl.Mater.Interfaces.2022,14,17674.外：正極電-化-力改性解決電池多場(chǎng)耦合失效l首次采用同步輻射成像技術(shù)觀察到全固態(tài)電池中的串?dāng)_行為l證明正極電-化-力耦合改性對(duì)抑制負(fù)極鋰枝晶和固態(tài)電解質(zhì)力學(xué)失效的顯著效果G.L.Cui,etal.Sci.Bull.原位固態(tài)化強(qiáng)化解決單體電池電-化-力失效原位固態(tài)化強(qiáng)化解決單體電池電-化-力失效4.7VLi10GP2S12?原位固態(tài)化提升固態(tài)電解質(zhì)耐氧化性、室溫離子電導(dǎo)率、力學(xué)性能2022,9,2202474AAG.L.Cui.Adv.Sci.2020,2003370.原位固態(tài)化技術(shù)在柔性固態(tài)電池驗(yàn)證基于高電導(dǎo)率、高柔韌性的硫化物/聚合物復(fù)合電解質(zhì)的厚膜高面載電池：厚度353微米；面載量（NCM622）7.5mAhcm-2；能量密度高于400Whkg-1。G.L.Cui,etal.NatCommun14,669(2023)Matter2020,2:805;ACSAppl.Mater.Interfaces2018,10,13588;Adv.Funct.Mater.2021,31,2101523;Adv.Sci.2021,8,2003887;Adv.Sci.2022,9,2202474.多級(jí)界面多物理場(chǎng)耦合改性多級(jí)界面多物理場(chǎng)耦合改性界面相容性與鋰傳輸Nat.CommunNat.Commun.2023,14,669;Nat.Commun.2020,11,5889;Adv.Mater.2019,31,1902029;Angew.Chem.Int.Ed.2022,61,e202209626.Adv.EnergyMater.2021,11,2100881;ACSAppl.Mater.Interfaces2022,14,17674;Sci.Bull.2023Adv.Mater.2019,31,1902029;Adv.E