2019年10月18日，浙江大學(xué)范修林教授應(yīng)邀到訪中科院物理所長(zhǎng)三角研究中心（簡(jiǎn)稱“中心”）和天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱“研究院”），進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。
18日下午，范修林教授首先參觀了研究院測(cè)試分析中心、失效分析中心、工藝工程中心及硫化物固態(tài)電池實(shí)驗(yàn)室。隨后，范修林教授在研究院作了題為《原位固體電解質(zhì)界面層的構(gòu)建及其對(duì)高能量密度電池性能的影響》的專題報(bào)告。此次報(bào)告為“長(zhǎng)三角物理研究中心國(guó)際學(xué)術(shù)交流論壇”暨“天目湖物理科學(xué)講壇”系列報(bào)告之一。該系列報(bào)告旨在邀請(qǐng)電化學(xué)領(lǐng)域知名專家到訪溧陽(yáng)，與中心、研究院、天目先導(dǎo)、中科海鈉及其他企事業(yè)單位的博士、碩士、工程師及相關(guān)研發(fā)人員一起共同探討學(xué)術(shù)研究成果、促進(jìn)交流；進(jìn)一步提升溧陽(yáng)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的影響力及競(jìng)爭(zhēng)力。
此次報(bào)告范修林教授首先從鋰（離子）電池電解液的發(fā)展歷程開(kāi)始，闡明電極界面及相關(guān)電解液在鋰離子電池中起至關(guān)重要的作用，針對(duì)現(xiàn)有碳酸乙烯酯（EC）電解液的缺點(diǎn)提出要開(kāi)發(fā)新的電解質(zhì)并優(yōu)化電極界面，圍繞這一目標(biāo)，范修林教授從以下幾方面開(kāi)展了詳細(xì)的講解：FluorinatedElectrolytes(氟化電解液),DecoupledElectrolytes（去耦合電解液）,FluorinatedInterphases（氟化界面）。首先，在FluorinatedElectrolytes(氟化電解液)，開(kāi)發(fā)了一種新型阻燃電解液，在酯基溶劑分子中引入氟化官能團(tuán)，其具有正極一側(cè)穩(wěn)定窗口＞5.6V、對(duì)金屬Li可逆沉積庫(kù)倫效率＞99.2%以及完全不可燃的優(yōu)勢(shì)，對(duì)該新型電解液具有這一優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了機(jī)理研究與解釋，并在4.4VNCM811|Li和5VLiCoPO4|Li電池體系中進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)一步，范修林教授在相同正極NCM811、不同的負(fù)極（10倍過(guò)量Li負(fù)極、Si負(fù)極和SiLi負(fù)極）中對(duì)比了采用氟化電解液的循環(huán)性能，發(fā)現(xiàn)NCM811|SiLi體系大幅提升了循環(huán)壽命；并就這一結(jié)果從SEI成膜和Li沉積/剝離路徑角度，結(jié)合電化學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算和原位TEM等手段進(jìn)行了機(jī)理詳解。然后，在DecoupledElectrolytes（去耦電解液）方面，基于氟化電解液的研究基礎(chǔ)，將氟化電解液溶解于非極性的高穩(wěn)定性溶劑中，降低了溶劑分子與Li+之間的作用力、提高了Li+在電解液體系中的遷移數(shù)、降低了Li+脫溶劑能壘，并大幅拓寬了電池的工作溫度區(qū)間。第三，在FluorinatedInterphases（氟化界面）方面，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)鋰離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，在普通酯基電解液中實(shí)現(xiàn)了利用陰離子基團(tuán)分解替代溶劑分解形成更穩(wěn)定的SEI/CEI，將電解液穩(wěn)定窗口從4.3V拓寬至5.0V以及對(duì)金屬鋰的可逆沉積庫(kù)倫效率＞99.2%。采用高鹽濃度LiFSIEC/DMC體系，相比普通商用電解液來(lái)說(shuō)，幾乎所有溶劑分子與Li+結(jié)合，陰離子FSI-被還原，生成氟化鋰界面，有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。然而，想要從根本上解決鋰枝晶帶來(lái)的安全問(wèn)題，需要采用固態(tài)電解質(zhì)。在所有報(bào)道的固態(tài)電解質(zhì)中，對(duì)Li的極限電流密度均＜2mA/cm2。范修林教授總結(jié)了不同電解液和固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率，總結(jié)出低的電子電導(dǎo)對(duì)界面穩(wěn)定至關(guān)重要，Li3PS4、LGPS和LLZO相對(duì)其他電解質(zhì)來(lái)說(shuō)電子電導(dǎo)較高，對(duì)Li界面不穩(wěn)定。在LPS與Li界面之間引入氟化鋰界面，類似于電解液中形成的SEI，可以極大地提升對(duì)Li的穩(wěn)定性，提升Li|LPS|SS的庫(kù)倫效率，通過(guò)XPS測(cè)試分析表明，單純LPS與Li會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)生成高電子電導(dǎo)的Li3P，而引入LiF-rich界面后，阻止了LPS與金屬Li的反應(yīng)。因此，范修林教授指出，固態(tài)電解質(zhì)較高的本征電子電導(dǎo)以及原位生成的具有更高電子電導(dǎo)組分是鋰枝晶產(chǎn)生的根本原因。會(huì)后，范修林教授總結(jié)：PC基電解液的開(kāi)發(fā)使得正極材料可以測(cè)試（1950s-1980s），EC基電解液的開(kāi)發(fā)使得目前LIBs商用（1980s-至今），Ether電解液的開(kāi)發(fā)使得Li-S快速發(fā)展（2000s-至今），Grignard-based電解液的開(kāi)發(fā)使得Mg電池得以發(fā)展（2000s-至今），因此，新的電池體系必要要求開(kāi)發(fā)新的電解液（電解質(zhì)）與之匹配。
講座結(jié)束后，在座聽(tīng)眾與范修林教授進(jìn)行了進(jìn)一步深入交流學(xué)習(xí)，此次講座使得現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)眾在氟化電解液以及設(shè)計(jì)氟化界面方面深受啟發(fā)。
范修林教授簡(jiǎn)介：2007年本科畢業(yè)于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系，2012年博士畢業(yè)于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系。之后，在美國(guó)馬里蘭大學(xué)從事博士后研究，2017年4月晉升為助理研究科學(xué)家（AssistantResearchScientist）。2019年入選國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃，2019年8月加入浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院擔(dān)任“百人計(jì)劃”研究員。主要從事二次電池（包括鋰離子電池、鈉離子電池以及儲(chǔ)氫材料等）等能源存儲(chǔ)器件的界面工程及相關(guān)電解液的設(shè)計(jì)研究，以中心作者或通訊作者身份在NatureNano.,NatureEnergy,NatureCommun.,ScienceAdv.,Joule,Chem,EES等期刊發(fā)表多篇論文，H因子=41。研究成果先后被C&EN,ScienceDaily,Engineering360,R&Dmag，人民網(wǎng)等國(guó)際知名媒體報(bào)道，受到廣泛關(guān)注。