Advanced Energy Materials:选择性催化构筑合金负极材料的固体电解质膜

锂合金负极具有高比容量是目前锂离子电池的研究热点。然而,充放电过程中伴随的巨大体积变化仍是限制合金负极材料商业化的主要因素。尽管合金负极的“纳米化”可以起到一定程度的缓冲作用,但纳米结构暴露出的更多的比表面,为电解液持续不断的反应提供丰富的活性位点,导致更多更复杂的副反应发生,形成厚的且富含有机物的固体电解质膜(SEI),最终造成电极性能急剧下降。研究表明,SEI膜可有效缓解商品化石墨电极表面与电解液的反应,对于电极的稳定性起到举足轻重的作用。而在合金负极表面,由于更加剧烈的体积变化,原生的SEI稳定性达不到要求。因此,如何设计更稳定、更致密、更薄的SEI对于提升合金电极材料性能的重要性不言而喻。

武汉大学化学与分子科学学院柯福生团队联合阿贡国家实验室化学科学与工程部徐桂良和Khalil Amine究团队对具有高比容量的锗(Ge)和硅(Si)电极材料构筑一层锑(Sb)包覆层,通过原位粉末X射线衍射(in situ PXRD)、原位扫描电子显微镜(in situ SEM)、在线电化学质谱(OEMS)、X射线光电子能谱(XPS)和密度泛函理论(DFT)揭示了Sb层在初始放电时被锂化为Li3Sb层,该Li3Sb界面层可以选择性催化分解FEC,同时抑制溶剂EC和DEC的分解,从而形成一层薄且富含LiF的SEI膜。最终使得合金负极材料的首次库伦效率以及循环稳定性得到极大提升。

这项研究从理解电极/电解液界面角度出发,借助于选择性催化分解电解液的概念,在合金负极和电解液之间构筑界面层,通过调控合金负极的表面结构进一步调控其SEI。为如何利用表面来调控SEI的组成和机械性能提供了新思路,研究者相信,该项研究有潜力运用在高能量密度合金负极以提升其电化学性能。这项研究可能会启发更多具有高能量密度正负极材料的选择性催化界面层的构筑的研究。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903186)上。