Advanced Functional Materials:快离子传输的纳米波状SEI推进锂金属电池实用化

锂金属因其超高的理论比容量和极低的电化学势,长期以来被认为是突破常规锂离子电化学能量密度极限的最终负极材料。但是,文献中报道的大多数锂金属电池测试通常是基于过量的锂金属(厚度大于300μm)和低面容量循环条件(例如,1-1.5 mAh cm2),这会大幅度降低全电池的实际能量密度。使用超薄锂金属负极(<50μm)的锂金属全电池在实际应用中通常面临枝晶状锂沉积,快速的活性锂金属耗尽和严重的负极粉碎等问题。

浙江大学陆盈盈课题组报道了一种具有快离子传输动力学的波浪状固态电解质界面(SEI),可以在碳酸酯电解液中促进高效的锂金属沉积/剥离。这种纳米波状SEI可以实现锂金属沉积的晶粒粗化(沉积过程)和活性锂金属的彻底溶解(剥离过程),可以有效缓解全电池循环过程中 “死锂”堆积和负极粉化问题。具有高价态和足够路易斯酸性的In(OTf)3可以作为增溶剂来促进LiNO3团簇的解离,将NO3引入到碳酸酯电解质的溶剂化鞘层。该种增溶剂介导的电解液可以诱导形成一种具有快速离子传输动力学的波浪状SEI,促进高效的锂金属沉积/剥离效率(面容量4 mAh cm-2下> 98%)。在实用化测试条件下(45μm超薄锂金属阳极,4.3 mAh cm-2高容量LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正极),全电池的循环寿命得到了显著的提升(170个循环;使用常规碳酸酯电解液的电池寿命仅为20个循环)。

冷冻透射电子显微镜(cryo-TEM)进一步揭示了纳米波状SEI结构,功能和电化学性能之间的基本关系。每个波浪SEI模块均以高比例的纳米结晶颗粒构成,主要是由Li2O和Li3N构成的。增溶剂电解液溶剂化结构中的In3 +-NO3离子络合物可以有效地改变溶剂化鞘中的反应位点,具有较高ESP值的NO3可能在内亥姆霍兹层中发生位点选择性分解反应,并形成富含氮和氧的无​​机SEI。此外,波浪状SEI具有较低的锂离子扩散活化能(61.45 kJ mol-1), 高含量的Li3N / Li2O成分和丰富的晶界有利于锂离子的传输, 可以促进Li +表面均匀扩散(在晶核的边缘和侧面),并导致大尺寸的块状锂金属沉积。

这项工作将SEI的化学组分、纳米结构与锂金属负极的电化学性能进行了关联,为实际高能量密度锂金属全电池提供了有效的设计原则。该工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202003800)上。浙江大学博士生张魏栋和沈泽宇为本文共同第一作者。