Advanced Materials:同步辐射X射线断层扫描成像技术(X-ray Tomography)揭示锂金属负极在不同温度下的循环机理

锂金属负极具有非常高的理论容量和极低的电化学势,长期被认为是锂电池研究中的理想负极材料。然而,它的商业化应用始终由于循环性能不稳定以及易发生短路等问题而被限制。近年来有许多提高锂金属循环性能的工作被广泛报道,采取的策略可大致分为电解液优化,界面改性,三维集流体等。文献中报道的结果也表明上述策略可以有效地抑制枝晶生长,提高界面稳定性,取得更好的电池循环性能。然而,我们发现绝大部分的工作只针对在室温下金属锂负极的性能进行研究,其在低温或高温下的工作机理以及性能却鲜有关注。在锂电池的实际应用中,工作环境的温度范围往往很宽(-20摄氏度到60摄氏度),例如低温环境在高纬度地区十分常见,而高温环境在混动/电动汽车中也会遇到。因此,对锂金属负极在不同温度下充放电过程的研究对锂电池的实际应用有重要的意义。

在近期的报道中,研究者们探索了锂金属在醚类电解液中,在不同温度下的电化学循环性能。醚类电解液非常适用于低工作电压的电池体系(例如Li-S电池),但较低的氧化电压使其在高工作电压的体系中(例如钴酸锂正极和三元正极材料)的应用受到限制。而碳酸酯基电解液,由于较宽的电化学稳定窗口,则可以相对更好地匹配上述正极材料,因此在电池体系中同样被认为非常重要。锂金属在热力学上与碳酸酯基电解液不稳定,所以锂金属电极界面在碳酸酯基电解液中的行为会与醚基电解液有显著不同。深入地了解不同温度下锂金属在碳酸酯基电解液中的电化学性能以及机理是当前研究的盲点。

基于以上的研究现状,人们希望通过有效的手段来分析和理解不同温度下锂金属负极在电化学沉积、剥离的过程中的界面形貌和化学组成的演变以及它们之间的关系。尽管目前已有很多工作报道了对于锂金属负极不同的表征手段,包括电镜,电化学阻抗谱以及光电子能谱等,然而,界面化学以及形貌之间的具体关系往往很难得到清晰完整的认识。为此,加拿大西安大略大学孙学良团队和加拿大光源中心合作,采用一系列同步辐射表征技术,包括同步辐射X射线荧光成像(XRF mapping)、近边X射线吸收精细结构谱技术(XANES),X射线断层扫描成像(X-ray computed tomography),同时结合其他电化学及化学表征手段,实现了对不同温度下锂负极的循环性能与机制的深入研究。不同于先前醚基电解液中锂负极的报道,此工作中发现低温下锂金属在碳酸酯基电解液中有更高的库伦效率和循环寿命,而在高温下锂金属负极由于与电解液之间更严重的副反应使得稳定性显著下降。这项工作对锂金属负极的表征方法以及实际应用的研究提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202002550)上 。