锂金属负极的电极/电解质界面研究与设计优化

The project intends to optimize the design of the interface of the lithium metal anode from the perspective of the gel polymer electrolytes and to study the electrode / electrolyte interface in combination with advanced methods such as X-ray absorption spectroscopy and imaging technology in X-ray synchrotron radiation, thus to discuss the scientific problems of lithium metal anode in the secondary battery application process and confirm the design of the gel polymer electrolyte on the interface optimization. Specifically, two types of the well-defined structure of lithium metal anode electrode / electrolyte interface is used to clarify the effect of specific components and functions on the cycle performance of lithium metal anode and the effect of dendrite suppression to construct a functional layer structure and composition X-ray imaging technique was used to study the relationship between morphology change and physical parameters of the surface molecular layer during the deposition of lithium metal, and to clarify the relationship between the interface parameters and the deposition process thus to finally find the interface optimization path for the uniform deposition of lithium ions. The interface optimization method should be found through the "structure-activity relationship" and the confirmation of the interface optimization path. In addition, the in-situ interface reaction molecule is introduced on the basis of ex-situ interface optimization to further improve the functional interface of the interface and realize the functional design of interface optimization.

本项目拟从电解液/隔膜协同的凝胶聚合物电解质角度开展针对锂金属负极界面的优化设计，并结合X射线同步辐射中的X射线吸收光谱和成像技术等先进方法对电极/电解质界面进行研究，探讨金属锂负极在二次电池应用过程中的科学问题，确认所设计的凝胶聚合物电解质对界面优化的作用。具体的，通过两类结构明确的锂金属负极电极/电解质界面层的结构设计，明确结构中特定组分和功能对锂金属负极循环寿命的影响及枝晶抑制的效果，构建功能层结构、组成等参数与锂金属负极电化学性能之间的“构效关系”；利用X射线成像技术研究锂金属沉积过程中的形貌变化与表面分子层物理参数之间的关系，明确界面参数与沉积过程之间的关系，为锂离子的均匀定点沉积找到界面优化的路径；并通过“构效关系”和界面优化路径的确认，找到界面优化的方法。此外，在非原位界面优化的基础上引入原位界面反应分子，进一步改善界面功能层，实现界面优化的功能设计。

在项目执行过程中，项目按照任务书重点完成了多种功能和成分明确(Well-defined)的无机SEI层，包括原位构筑不同组分的锂基合金、基于气态反应过程构筑的成分单一、结构完整且明确的LiI界面层，还发展真空蒸镀银原子层，并在银层的表面通过手工涂覆超薄石墨层，诱导结构和成分更为稳定的锂金属负极SEI层的新方法，提升锂金属负极的界面稳定性，抑制锂枝晶生长，从而改善锂金属负极的电化学循环性能；发展了多种结构和成分功能化的亲锂集流体，通过结构设计叠加成分或位点功能导向降低锂的成核能垒和成核过电位，形成均匀的沉积形态，保持结构的稳定性，有利于SEI膜的稳定性，从而减少SEI膜损坏造成的电解液消耗；基于锂金属负极的应用需要，开发了多种准固态聚合物电解质及功能优化的单离子导体聚合物电解质等，通过诸如将单离子传导策略与3D网络结构设计相结合，开发了多种新型的准固态聚合物电解质等，为锂金属负极的潜在应用提供了有益思路与指导；还发展了多种域外调节策略，包括内孔表面接枝吸电子官能团具有提升锂离子迁移数的聚烯烃功能隔膜、低配位电解液溶剂、拓展锂金属应用基础研究的内涵和外延。. 项目按照计划执行，顺利完成了预期指标。发表论文23篇，其中JCR 1区论文；申请发明专利7项，其中已授权3项，已公开进入实质审查4项；项目负责人参与JWKJW“XXX“储能电池”和厦门市科技局高价值专利培育项目“化学储能电池”项目。此外，通过项目实施培养研究生10名，其中博士研究生5名，已毕业并获得学位3名，硕士研究生5名，已毕业并获得学位3名。