原位構建有序結構的SEI層用於高性能鋰金屬電池

2021-01-08 電子發燒友
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原位構建有序結構的SEI層用於高性能鋰金屬電池

小材科研 發表於 2020-12-23 17:19:07

可攜式智能器件與長續航電動汽車的發展對可充電的二次電池的能量密度提出了更高的要求。當鋰負極與硫正極相匹配時，組成鋰硫電池的容量高達2600 Wh kg-1，這將適用於未來高能量密度需求的電動汽車。在前期的硫正極研究中，從納米材料結構設計與表面功能化出發（J. Power Sources， 2016， 321， 193；Nano Energy， 2017， 40， 390），製備了不同的活性納米催化劑複合材料（；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020， 12， 12727；Energy Storage Mater.， 2020， 28， 375；ChemSusChem， 2020， 13， 3404），並選用原位光譜手段研究了其相關作用機制 （Energy Storage Mater. 2019， 18， 246；Energy Environment. Mater. 2020， DOI： 10.1002/eem2.12152）。

在眾多負極之中，金屬鋰負極具有高的理論比容量和低的電極電勢。然而，壽命短和穩定性差的問題阻礙了其商業化進程。金屬鋰負極面臨的挑戰主要是：1）電化學形成的固態電解質中間相（SEI）的脆性與疏鬆性，使得金屬鋰發生不均勻沉積與溶解，最終形成枝晶；2）體積膨脹引起的電極結構變形和粉化。這些問題不是相互獨立的，而是內在有關聯的。

針對上述問題，中科院蘇州納米所張躍鋼教授與藺洪振研究員團隊從表面功能化角度出發，在金屬鋰表面製備了有序結構的有機/無機SEI層，並選用原位和頻振動光譜手段研究了其相關作用機制。

圖1 金屬鋰表面SEI層的結構示意圖。

不同於常規的無序結構或單一組分SEI的負極（圖1），我們利用高反應活性Pyr13FSI離子液體在鋰金屬表面自組裝形成有序結構的有機/無機SEI層，通過界面選擇性和頻振動光譜（SFG）、X射線光譜（XPS）及原子力譜（AFM）表徵了有序結構中有機層與無機層的存在（圖2）。

圖 2 有序結構SAHL-Li的自組裝演化過程及其界面有機、無機層的表徵。

在電化學測試過程中，選用前期課題組報導LiFSI基醚類電解液體系（ACS Appl. Mater. Interface 2019， 11， 30500），預處理的鋰金屬電極在高達10 mA cm-2的條件下表現出優異的可逆性與穩定性，即便在3 mA h cm-2的大沉積溶解容量下也保持著高庫侖效率，這些電化學結果優於絕大多數報導的文獻。循環後的SEM圖顯示，預處理的金屬鋰表面是光滑平整的，而原始鋰片則形成眾多的裂痕與粉化。

圖3 有序雙層SAHL SEI層修飾鋰金屬電極的電化學穩定性。

進一步地，該團隊又選用了自主設計與研發的原位電化學和頻振動光譜技術，原位SFG測試結果顯示有序有機/無機雜化SEI層阻礙了溶劑分子在金屬鋰表面的吸附，對抑制鋰枝晶形成的具有優勢。

圖4 原位SFG對SEI作用機制研究。

以上的研究成果的第一作者為王健博士，以「In-situ self-assembly of ordered organic/inorganic dual-layered interphase for achieving long-life dendrite-free Li metal anodes in LiFSI-based electrolyte.」為題，發表在Advanced Functional Materials 期刊中。 這些工作受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金及德國Alexander von Humboldt Foundation（洪堡基金）等基金項目支持。

責任編輯：PSY

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