Small Methods:原位电化学原子力显微镜研究锂枝晶微观生长机理

近年来,关于锂离子电池爆炸的新闻已经成为一个热点话题。锂枝晶(Dendrite)生长是影响锂离子电池安全性和循环稳定性的根本问题之一。锂枝晶的生长会破坏电极和电解液间已形成的具有保护功能的固体电解质界面膜(SEI),导致电解液不断消耗及金属锂的不可逆损失,造成电池库伦效率下降;严重时,锂枝晶还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短路,造成电池的热失控并引发爆炸。

关于锂枝晶的生长机理目前在学术界还存在争议。由于锂离子电池怕水怕氧,可用来表征SEI的技术手段非常有限。近年来发展起来的各种电镜技术都在努力尝试在微纳尺度甚至原子级别上理解锂枝晶生长的演变过程。遗憾的是,常规的透射电镜由于高能粒子的照射,容易引起SEI膜及金属锂的破坏;虽然低温冷冻电镜能够缓解这一问题,但是由于使用条件的限制,在实验中无法原位使用常温电解液进行实时观察。此外,其昂贵的设备也制约了其推广。

中科院宁波材料所沈彩副研究员在前期利用原位电化学原子力显微镜(EC-AFM)对多种锂离子电池负极材料SEI膜成膜机理进行深入研究的基础上,利用SEI膜成膜电位比金属锂沉积电位更正的特点,设计了两步法研究锂枝晶的实时原位实验。研究者通过EC-AFM实时研究了以碳酸乙烯酯(EC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)为基础电解液的SEI膜的生长过程,并在此基础上进行原位锂枝晶的微观生长观察,通过对这两种电解液所形成的SEI膜的杨氏模量、CV图谱及EIS阻抗谱分析,结合XPS光谱分析,研究者发现FEC电解液所形成的SEI膜中含有较多的LiF无机盐,由于LiF具有较好的硬度和稳定性,使得其整体SEI膜具有较好性能,能够有效抑制锂枝晶生长。

以上研究工作为SEI膜特性及锂枝晶生长研究提供了新思路。电化学原子力显微镜结合光谱技术,有望成为锂枝晶生长机制研究的有力表征手段,通过对各种电解液和添加剂的优化筛选、形成对金属锂负极有效保护的SEI膜或涂层修饰结构,提升金属锂负极的循环稳定性。

相关工作发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700298)上。

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