96歲仍奮戰(zhàn)科研一線，鋰電之父Goodenough全固態(tài)電池成果豐碩！
時間:2018-10-12 18:00來源:納米人 作者:綜合報道
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2018年諾貝爾化學獎揭曉，96歲高齡的鋰電之父J. B. Goodenough 老先生再次與諾獎失之交臂。從80年代初的LiCoO2正極到90年代的LiFePO4正極，Goodenough 老先生在鋰電領域做出的卓越貢獻令人嘆為觀止。時至今日，老先生依然奮戰(zhàn)在科研的第一線，希望通過自己的研究讓這個世界變得“足夠好”。
那么，近一年來老先生又有哪些科研新動向呢？本文對Goodenough 2018年在二次電池領域發(fā)表的相關文章進行了匯總整理，力求能夠為相關領域的科研同行們提供一些借鑒，同時也向這位改變了世界的足夠好先生表達我們深深的敬意。
2018年3月，Goodenough在Nature Electronics上發(fā)表了題為How we made the Li-ion rechargeable batteries的文章[1]。文章回顧了20世紀60年代以來二次電池的發(fā)展歷程，并在文章結尾為新時期二次電池的發(fā)展指明了方向——全固態(tài)電池。
眾所周知，便攜式儲能設備以及電動汽車的發(fā)展使得人們對于儲能體系提出了更高的要求---高能量密度、高安全性。傳統(tǒng)的鋰離子電池由于受到嵌入式反應機理的限制已經(jīng)接近其能量密度的天花板，因而難以在新一代高比能二次電池中有較大突破。金屬鋰負極憑借其高理論比容量、最低氧化還原電勢等不可比擬的優(yōu)勢成為了二次電池領域備受矚目的焦點，以金屬鋰為負極的鋰硫電池、鋰空電池等新電池體系更是日益火爆。
不幸的是，活潑的鋰金屬在傳統(tǒng)的液態(tài)電解質中會與電解液組分發(fā)生化學/電化學反應生成不穩(wěn)定的固體電解質中間相（SEI膜）。不安分的負極-電解液界面進一步誘導鋰枝晶的生長，從而可能引發(fā)嚴重的安全問題。
經(jīng)過多年的摸索，人們發(fā)現(xiàn)固態(tài)電解質是實現(xiàn)金屬鋰負極界面穩(wěn)定性的不二之選。理想的固態(tài)電解質體系能夠從原理上根本解決鋰枝晶生長的問題，對于實現(xiàn)電池的安全工作具有重要意義。作為一名具有實干精神和奉獻精神的科學家，96歲高齡的Goodenough 老先生毅然投入到全固態(tài)電池這個全新的領域，而且成果頗豐。
在固態(tài)電解質備受矚目的今天，世界各地的研究人員通過多種方法制備出了形貌結構各異、功能多樣的固態(tài)電解質來用于二次電池。困擾固態(tài)電解質發(fā)展的一個重要因素就是其離子電導率難以與傳統(tǒng)的液相電解質相媲美，遲緩的離子傳導對于二次電池來說無疑是致命的缺陷。因此，當前有關固態(tài)電解質的研究主要方向就是提高離子電導率和界面穩(wěn)定性。
Goodenough老先生今年的幾個重要工作都與這兩方面有關，接下來，我們將對相關研究成果進行詳細深入的分析概括。
2017年底，Goodenough 老先生連同北科大范麗珍教授報道了有關聚合物-無機陶瓷復合電解質的研究成果[2]。
研究人員通過熱壓法制備了全系列的PEO/LLZTO復合電解質，研究發(fā)現(xiàn)，隨著LLZTO比例的不斷增加，復合電解質的離子傳輸機理從單相聚合物傳導向包含相界面?zhèn)鲗У碾p相機理過渡。
也就是說，當陶瓷所占比例達到構建滲透網(wǎng)絡閾值時，沿著陶瓷-聚合物相界面的鋰離子傳輸也為總的離子電導做出了貢獻。同時，LLZTO的存在使得活性聚合物PEO與金屬鋰負極接觸面積和接觸機會均減小，與此相關的界面副反應被顯著抑制，負極/電解質界面阻抗顯著下降，這有利于提高全電池的庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性。
對于Li/PEO-LLZTO/LiFePO4全電池而言，界面穩(wěn)定性的改善使得其電化學極化顯著減小，在0.2C電流密度下其放電比容量高達148.6mAh/g。值得注意的是，老先生對于全電池性能的測試都是在55℃下操作的，這固然有考察電池安全性的考量，但更多的是考慮到電解質高溫電導率能夠滿足電池工作要求。
受“polymer in ceramic”啟發(fā)，當陶瓷成分在復合電解質中的比例過大時，是不是離子電導率就會顯著增大呢？答案顯然是否定的。這是因為納米尺寸的陶瓷填料極易團聚從而阻塞相界面周圍的滲透網(wǎng)絡。然而，要想實現(xiàn)高安全的高比能電池，必需減少復合電解質中可燃的有機聚合物比例，增加阻燃的無機陶瓷成分。這就形成了提高離子電導率和增強電池安全性的一對矛盾。
為了平衡這兩種效應，Goodenough采用水凝膠衍生的方法構建了3D -LLZTO /PEO復合電解質。他們將LLZTO融入水凝膠模板中然后除去模板，再用PEO進行澆鑄干燥[3]。
這種人工3D滲透網(wǎng)絡相比簡單的納米填料分散體系，自然而然地避免了納米填料團聚的問題，同時其超高的比表面積又提供了連續(xù)的相界面網(wǎng)絡作為鋰離子傳輸通道。
對該復合電解質的電導機理深入研究后發(fā)現(xiàn)，除了前面提到的3D滲透網(wǎng)絡的作用，陶瓷組分的高介電常數(shù)和缺陷誘發(fā)的離子躍遷都對離子電導的提升有貢獻。前者能夠促進電解質中鋰鹽的高效解離提供更多載流子，而后者則來源于活性填料LLZTO的獨特性質。這種3D離子傳導網(wǎng)絡的構建思想與崔屹教授之前報道的有序離子傳導通道的構造具有異曲同工之妙。
上面兩個研究成果都與復合電解質相關，之所以選擇復合電解質體系是因為單獨的無機陶瓷電解質存在嚴重的固固界面不相容問題。在之前的研究中，人們發(fā)現(xiàn)陶瓷電解質中的過渡金屬離子組分能夠與金屬鋰發(fā)生氧化還原反應造成電解質的消耗，而且鋰枝晶容易從壓片電解質的晶界處優(yōu)先突出生長。
Goodenough 先生及其團隊通過對LLZTO陶瓷電解質進行高溫碳處理（LLZTO-C）成功地解決了其界面兼容性不佳的難題[4]。
相比未經(jīng)處理的LLZTO，預處理過后的LLZTO-C電解質片層表面Li2CO3和Li-Al-O雜相被清除，避免了鋰離子溢出效應造成的空氣不穩(wěn)定，實現(xiàn)了電解質體相與表面成分的均一。此外，LLZTO-C與金屬鋰界面由于表面雜相的消除能夠實現(xiàn)均質的浸潤，對于抑制鋰枝晶的生長效果顯著。
考慮到陶瓷電解質在多種電池體系中的潛在應用可能性，文中還探究了LLZTO-C與固態(tài)正極、液體電解質之間的界面相容性。事實上，對于固態(tài)電解質而言，均一穩(wěn)定的界面組成和界面性質是實現(xiàn)長效可靠的電化學性能的基礎。
當界面化學成分不均勻或者易變時，一方面，區(qū)域性的離子電導差異會像液態(tài)電解質中一樣會誘導鋰離子優(yōu)先在勢壘低的位置傳輸，造成鋰負極對應區(qū)域的熱點生長。重復電化學沉積/剝離過程中積累的內部應力也容易在機械強度低處優(yōu)先釋放，造成陶瓷電解質片層破裂或電池內部短路。另一方面，界面組分與性質的差異使得電解質與正極材料界面上接觸阻抗各不相同，界面阻抗低處容量利用率高，造成電極內部充放電深度的差異。
除了有關聚合物電解質和無機陶瓷電解質的復合研究外，Goodenough 老先生還致力于實用性新型電解質的開發(fā)與研究。2018年6月，他的團隊報道了一種空氣穩(wěn)定的新型鈣鈦礦型的無機電解質-Li0.38Sr0.44Ta0.7Hf0.3O2.95F0.05[5]。
這種新型鈣鈦礦型無機電解質具備立方結構，鋰離子處于相鄰兩個A位點共用的面上，能夠提供高達4.8×10-4S/cm的離子電導率。在3≤pH≤14的介質中能夠保持較高的化學穩(wěn)定性。
值得注意的是，由于電解質組分中的Ta5+會與金屬鋰發(fā)生氧化還原反應使界面阻抗增大，因此與金屬鋰共用時需添加一層PEO聚合物緩沖層作為隔絕。以此裝配的全固態(tài)Li/LiFePO4和Li/S電池在65℃下表現(xiàn)出較小的電化學極化和較高的容量利用率。
此外，該固態(tài)電解質還能夠有效抑制多硫化物的穿梭效應。目前來看，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)有的電解質體系相對固定但是卻又都面臨著種種挑戰(zhàn)。當前有關新型電解質體系的報道相對較少，在一定程度上阻礙了這個領域的拓展與突破。像幾十年前的LiCoO2和LiFePO4材料一樣，Goodenough老先生重操舊業(yè)，利用物質構效關系、憑借敏銳的科研嗅覺為固態(tài)電解質體系的開拓而孜孜不倦。
眾所周知，在涉足固態(tài)電解質之前，Goodenough老先生一直致力于有關二次電池電極材料的研究，如普魯士藍類化合物、TiNb2O7等。Na+等載流子在液態(tài)電解液體系中發(fā)生溶劑化效應可能會造成溶劑分子共嵌入或由于脫溶劑使得擴散動力學緩慢。此外，材料主體晶格中的過渡金屬離子也會溶出在電解液中造成晶格塌陷。而在固態(tài)電解質體系中，這些問題都不復存在。
因此，結合電極材料和固態(tài)電解質的研究成果，Goodenough 在2018年開發(fā)出了兩類安全性高、能量密度高、循環(huán)壽命長的全固態(tài)電池。
早在2013年，Goodenough老先生就研究了Na2MnFe(CN)6框架材料在有機電解液中的儲鈉行為。由于在材料制備過程中不可避免地引入H2O和晶格缺陷，使得充放電過程中由H2O帶來的副產(chǎn)物HF等侵蝕材料主體晶格。被分解的正極材料中Mn2+極易溶于電解液，從而導致活性物質利用率下降。
在此基礎上，Goodenough團隊選擇了鈉離子固態(tài)導體NASICON作為固態(tài)電解質組裝了高比能全固態(tài)Na/NASICON/Na2MnFe(CN)6鈉電池[6]。固態(tài)電解質的應用從根本上抑制了晶格水與液態(tài)電解液在高電位下的副反應，過渡金屬離子也不再與電解液溶劑配位溶解。相比液態(tài)電池體系，固態(tài)電池的鈉負極界面上由于副反應減少而保持著良好的離子傳輸，相應的電池庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性都有明顯的改善。
另一組固態(tài)全電池體系是p-聚苯胺/PMMA基凝膠聚合物電解質/K固體電池[7]。對于鉀離子電池而言，由于其載流子（K+）半徑較大而缺乏合適的嵌入主體；而p-型有機材料如聚苯胺等不受限于陽離子的脫嵌而只與陰離子的嵌入有關。在該固態(tài)電池體系中，電池的充放電機理與液態(tài)電解質相比并未發(fā)生改變。由于凝膠聚合物電解質的存在，鉀金屬枝晶的生長被抑制，界面穩(wěn)定性得到提高，這是固態(tài)全電池良好電化學性能基礎。
這兩個研究成果賦予我們一些啟示：在傳統(tǒng)液態(tài)電解液中難以實現(xiàn)的電化學性能甚至機理有可能憑借固態(tài)電解質獨特的凝聚態(tài)性質得以實現(xiàn)。這種另辟蹊徑的獨特思維方式在下面的研究成果中也有體現(xiàn)。
在對電解質進行優(yōu)化的同時，Goodenough另辟蹊徑地利用液態(tài)合金負極有效解決了電極-電解質界面的不相容問題和枝晶生長問題。金屬鈉與金屬鉀室溫下在較寬的比例范圍內能夠形成液態(tài)合金。以此液態(tài)金屬作為二次電池負極，可以利用液體的流動性質和自愈性質實現(xiàn)無枝晶的負極界面。
今年早些時候，Goodenough老先生研究了液態(tài)合金負極對于不同電極材料的依賴性[8]。當正極材料只能允許Na+嵌入脫出時（如Na2/3Ni1/3Mn2/3O2和Na3V2(PO4)3等），合金負極起到的是純金屬鈉負極的作用，負極中K+的沉積剝離行為被抑制；而當正極材料主體允許K+脫嵌時（如普魯士藍類化合物），合金負極就起到金屬鉀負極的作用，其中的Na+變?yōu)殡娀瘜W惰性組分。
值得注意的是，在該項研究中所采用的液態(tài)合金負極是經(jīng)過高溫滲透被固定在碳紙中的，整個封裝制備過程既不經(jīng)濟又相對危險。
最近，為了更加安全經(jīng)濟地使用這種活潑液態(tài)金屬負極，Goodenough 老先生又開發(fā)了一種室溫Na/K合金負極膜---將合金液體滲透進多孔金屬集流體薄膜[9]。這種創(chuàng)造性的設計減小了液態(tài)合金負極表面強勁的表面張力，提高了與液態(tài)電解質之間的浸潤性，減小了電極/電解質界面阻抗。此外，他們還探究了液態(tài)合金與不同電解液的相容性。碳酸酯電解液與合金負極不互溶，界面穩(wěn)定能夠抑制枝晶生長又不會造成電池內短路；而醚類電解液會微量溶解合金負極，不適合全電池的裝配。
回顧Goodenough 先生近一年來的科研工作，我們發(fā)現(xiàn)其研究工作的主線依然是圍繞著安全高比能的全固態(tài)電池展開的。老先生憑借敏銳的科研嗅覺和豐富的人生閱歷準確地捕捉到了儲能領域的熱點需求，即使已經(jīng)96歲的高齡依然“筆耕不輟”。
值得一提的是，雖然身處研究熱點的中心但是老先生卻一直堅持實用主義至上的原則，沒有在狂熱的科研潮中迷失自己。在每一個研究體系中老先生都會對材料空氣穩(wěn)定性、生產(chǎn)過程的可行性等實際場景中常見問題進行說明。他的研究工作沒有眼花繚亂的納米結構吸引眼球，也不追求高端先進的儀器表征手段，但每一項成果都具有樸素的實用意義。
在固態(tài)電解質領域，他對離子電導率和界面問題的改善都做出了自己的貢獻。老先生似乎對無機陶瓷固態(tài)電解質情有獨鐘，這是因為在諸多電解質體系中陶瓷電解質具有更光明的應用前景。
雖然今年的諾獎再次錯過了這位足夠好先生，但是在我們心中正是因為他的存在，我們的生活，我們的世界才變得足夠好。
參考文獻
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[2] Chen L, Li Y,Li S, et al. PEO/garnet composite electrolytes for solid-state lithiumbatteries: From “ceramic-in-polymer” to “polymer-in-ceramic”[J]. Nano Energy, 2018,46:176-184.
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[8] Xue L, Gao H,Li Y, et al. Cathode Dependence of Liquid-Alloy Na–K Anodes[J]. Journal of the American ChemicalSociety, 2018,140(9):3292-3298.
[9] Xue L, Zhou W,Xin S, et al. Room-Temperature Liquid Na-K Anode Membranes[J]. AngewandteChemie International Edition, 2018.
(責任編輯：子蕊)
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