Small Methods: 快速构筑人造SEI稳定金属锂与固态电解质界面

固态电解质因其卓越的安全性正引起越来越多的重视,其广阔的应用前景使得固态金属锂电池成为当前主流研究热点之一。但固态电解质与金属锂不稳定的界面限制了其大规模的应用,其中一个问题便是金属锂较低的氧化还原电位使得大多数的固态电解质对金属锂并不稳定,特别是一些含有较易被还原过渡金属的固态电解质,例如NASICON类的Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)便是其中的一种。LATP一旦与金属锂接触,界面处便会被还原,而分解产物则具有较高的电子与离子导电性,使得分解反应持续进行,直至电池失效。因此在不降低能量密度的前提下,并没有便捷有效的方法降低LATP与金属锂的界面反应性。

近期,北京大学深圳研究生院潘锋课题组与同济大学罗巍课题组发现,将金属锂预先与一种含有锂盐镁盐的混合溶液反应后,将迅速(大约30秒内)产生一层可控的纳米人造SEI层。通过XRD,XPS等表征可以得到该纳米保护层主要成分为氟化镁(MgF2), 氟化锂(LiF)与氧化硼(B2O3)。随后通过将处理过的锂片以及未经处理的锂片同LATP固态电解质接触并搁置,发现经过处理的锂片与LATP之间的阻抗变化较小,而未经处理的锂片与LATP之间的界面阻抗急剧升高,说明了发现该人造SEI层可以通过降低界面电子导电能力,从而有效阻隔金属锂与LATP之间的副反应(Ti4+ + e ¡ú Ti3+)。此外,通过液态电池循环可以得到该人造SEI具有较好的循环稳定性。在LATP作为固态电解质的金属锂对称电池中,同样发现随着循环的进行,含有未处理的金属锂的对称电池的极化电压随着循环圈数不断升高,而处理过的金属锂则体现了超过300小时良好的循环稳定性。此外,作者还将磷酸铁锂(LFP)作为正极进行了全电池的测试,结果同样发现未处理的锂片在100圈内便无法正常工作,而处理过的锂片则能够正常工作500圈。同其他在固态电解质上修饰的手段相比,这种在金属锂上构筑稳定SEI膜的手段不但快速简便,还能够大大拓展其应用的范围,为面临类似问题的碱金属负极与电解质界面提供了新的思路。相关结果发表在Small Methods(DOI:10.1002/smtd.201900751)上,论文第一作者为北京大学深圳研究生院杨卢奕博士与宋永利博士。