別具匠心-鋰金屬電池中的聚丙烯酸鋰「智能」SEI膜

2021-02-15 清新電源

近日，中國科學院化學所的郭玉國教授&文銳研究員（共同通訊）在AngewandteChemie International Edition上發表了題為 「Smart Solid ElectrolyteInterphase Layer for Long Life Lithium Metal Anodes」 的文章。文章中通過設計並用滴鑄法製備得到聚丙烯酸鋰「智能」SEI膜，與金屬鋰結合形成電極材料之後能夠作為保護層對電極進行保護。該人工SEI膜能夠與金屬鋰產生良好的粘結性，並且其獨特的柔性能夠使保護層適應金屬電極在循環過程中的體積變化，最終達到實現鋰金屬電池進行穩定長循環的目標。

圖1「智能」SEI膜的設計策略以及製備

從上圖中看出，人工SEI膜的主要成分是聚丙烯酸鋰，從1c圖中可以看出該種材料良好的柔韌性，1d-1f圖與1g-1i的對比圖說明了在使用「智能」SEI膜前後，金屬鋰電極在循環過程中的表面變化，可見在人工SEI膜的加入後，塗層具有良好的自適應能力，防止金屬鋰電極的失效。

圖2金屬鋰電極表面的形貌和結構表徵

圖中的2a、2c、2e、2g圖與2b、2d、2f、2h圖分別是直接使用金屬鋰電極和加入了人工SEI膜的金屬鋰電極材料的循環前後形貌和結構表徵圖。用SEM圖和AFM的測試結果看出，在進行人工SEI膜保護之後，電極表面的高度和形貌在循環前後變化較小，防止了如圖2g中類似於「苔蘚狀」凹凸不平表面的出現，同時圖2e、2f的飛行時間次級離子質譜儀（TOF—SIMS）分析，證明了人工SEI膜與金屬鋰電極良好的結合力與其約20nm的厚度。

圖3循環過程中金屬鋰表面的原位原子力顯微鏡（AFM）表徵

通過搭建原位的AFM測試電池裝置，對經過不同時間後，鋰沉積/剝離過程的表面變化進行表徵，觀察到是否有人工SEI膜對表面高度變化的直觀反饋。3d、3g圖中更是通過曲線圖表現了人工SEI膜的自適應性後，鋰金屬電極表面較小的高度波動範圍，進一步證明了製備得到的人工SEI膜對金屬電極表面的保護。

圖4是否利用人工SEI膜的金屬電極電化學性能對比

在金屬電極進行人工SEI膜的保護之後，材料可以進行長達700h的穩定循環（圖2a），在1mA/cm2的電流密度下也能保持250 h的穩定循環（圖2b），裝成全電池之後的比容量也說明，在進行人工SEI膜包覆之後材料能保持較高的比容量值。

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