Advanced Functional Materials:相分离电池材料钛酸锂的表界面修饰对电化学性能的调制机制探究

当前,普遍认为对电极材料进行表面修饰可以稳定电极材料的近表面晶体结构,加速锂离子通过电极-电解质界面(EEI)的传输和减缓固体电解质 (SEI) 的形成。然而,表面修饰层如何影响SEI膜形成过程的实空间直接观测还缺乏详细的实验证据,而且当表面修饰用于处理具有相分离行为的钛酸锂(LTO)纳米颗粒时,其对电极相变行为的影响机制也有待进一步揭示;而且,对于LTO负极在脱嵌锂过程中出现的电化学振荡现象,且影响电池电化学性能的EEI等关键问题尚未明晰。事实上,实验上探究的困难部分归因于复合电极包含粘合剂、导电剂以及相关的颗粒与晶体界面,这些因素将为复合电极的电化学振荡行为带来额外的复杂性,并可能抑制对表面处理的体相效应。因此,建立适当的验证模型对于揭示具有马赛克不稳定性的多粒子相分离系统的相变机理至关重要。

福建师范大学黄志高研究团队探究了纳米修饰层对于影响锂电池SEI膜形成过程及多颗粒电化学体系相变动力学行为的物理机制。该研究首先构建了掺铝氧化锌(AZO)纳米层涂敷的多晶LTO薄膜电极作为多颗粒电化学相变体系的理想模型,其次利用原位剪切力调制显微镜(SFMM)谱观测到电极表面剪切力谱渐近曲线中由于SEI膜纳米流变性能差异引起的探针扭转振动相位的过渡区(如图1a),并结合开尔文显微镜和XPS确定了纳米修饰层对界面还原动力学调控机制,进而实现固液界面处SEI膜组分差异的检测;最后利用电化学表征技术对电化学性能差异及其恒流充放电过程中相变平台处的振荡行为进行了分析,阐明了表面修饰层与电极脱嵌锂均匀性及晶粒集体相变行为导致的电化学振荡行为之间的关系(如图1b)。该工作阐明了电池电极表面修饰对电池性能提升的增强机制,为理解多粒子相分离系统的电极材料LTO的离子输运和相变机制提供重要的物理解析。

图1. (a)SFMM观察SEI的形成及(b)电化学分析电极电化学振荡现象的结果示意图。

该论文中,博士生陈越和硕士生潘汉殿为共同第一作者,通讯作者为黄志高教授、李加新副教授、张健敏副教授以及兰卡斯特大学Kolosov教授。该研究得到国家自然科学基金项目和福建省自然科学基金等资助。

通讯作者信息

陈越,2017.9-2020.12年于福建师范大学获凝聚态物理博士学位,2019.9-2020.9选派赴英国斯旺西大学工程系访学,2020.6-至今加入英国兰卡斯特大学和法拉第研究所开展锂/钠电池界面性质表征研究。研究兴趣包含:电化学固液界面的原位表征、扫描探针显微镜技术、非平衡电化学相变等。

李加新,博士/副教授/博导,主要从事锂电池全电池的工程化应用研究,主持国家自然科学基金、福建省杰出青年基金、福建省高校杰青培育项目等科研项目;以第一/通讯作者在Energy Storage Mater.SmallCarbon EnergyChem. Comm.J. Mater. Chem. A等发表40余篇。2008.07-2017.08供职于中国科学院福建物构所,2018.03-2019.03在香港城市大学访学。

黄志高教授,高等学校教学名师奖,“万人计划”领军人才,福建省杰出人民教师,毕业于南京大学凝聚态物理专业,现任福建师范大学物理与能源学院院长、物理学一级学科博士点带头人、福建省物理学高原学科带头人、福建省量子调控与新能源材料重点实验室主任,曾任教育部实验教学指导委员会委员。近年来,重点开展先进材料设计、锂离子电池和纳米磁性材料等研究,先后主持和参与20多项国家级和省级科研项目,在Adv. Mater.SmallPhys. Rev. BChem. Eng. J.等刊物发表200多篇论文,他引4000多次;获得福建省自然科学奖5项、科技进步奖1项。

论文信息:

Controlling interfacial reduction kinetics and suppressing electrochemical oscillations in Li4Ti5O12 thin-film anodes

Yue Chen#, Handian Pan#, Chun Lin, Jiaxin Li*, Rongsheng Cai, Sarah J. Haigh, Guiying Zhao, Jianmin Zhang*, Yingbin Lin, Oleg V. Kolosov*, Zhigao Huang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105354

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202105354