Small Methods:理解SnO₂储锂负极表面不均匀双层SEI膜的演化

电极/电解液界面的稳定性对锂离子电池的服役性能产生重要影响。一般条件下脱嵌体效应大的(合金化、转化反应类)负极材料表面形成的固体电解质界面膜(SEI) 会在循环过程中不断演变,直接影响负极的库伦效率和循环寿命等。SnO2通过转化和合金化反应储锂,被认为是最典型的负极材料之一,尤其在机理探索和性能调控方面得到了广泛的研究。然而,SnO2电极上形成的SEI的结构和演变过程及其对电极性能的影响很少被关注和了解。

针对上述问题,华南理工大学胡仁宗教授等采用薄膜电极模型,采用多种手段,多尺度揭示了SnO2电极的SEI组成及其结构演变与电极性能的关系。通过飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)和HRTEM观察到SEI的双层混合结构,即由靠近电解液的外部有机SEI (O-SEI) 层和靠近SnO2电极的内部无机SEI (In-SEI) 层组成。研究发现SnO2电极在合金化反应后出现了SEI积累,在后续的逆转化反应中有机层明显溶解,导致无机层直接暴露在电解液中,从而在后续循环中持续堆积成厚度大且不均匀的SEI无机层,导致容量快速衰减和低的库仑效率 (CE:97.5%)。据此,当在SnO2电极表面预沉积无机LiF或Li2CO3薄层时,可诱导生成均匀而致密的SEI层,并在后续连续循环中保持稳定,从而提升电极循环稳定性和CE(99.5%)。这项工作为SnO2基负极表面的SEI膜演化机制提供了新的见解,并为提升高容量储锂金属氧化物负极的稳定性设计提供了新思路。

该工作主要由胡仁宗教授课题组的博士研究生兰雪侠完成,并得到了国家自然科学基金项目(No.52071144)的资助。

图文导读:

图1. SnO2薄膜负极的电化学性能
图2. FTIR和AFM表征SnO2电极循环过程中SEI的形成和增厚过程
图3. HRTEM表征SnO2电极循环过程中的SEI特征及其结构演变
图4. TOF-SIMS对SnO2电极SEI特性及其结构演变的表征
图5. SnO2-LiF电极的形貌表征,SnO2-LiF和SnO2-Li2CO3电极的电化学性能
图6. TEM和TOF-SIMS表征SnO2-LiF电极的SEI特征及其结构演变
图7. SnO2,SnO2– LiF和SnO2-Li2CO3电极的SEI形成过程和结构演变示意图

作者简介:

胡仁宗,教授,华南理工大学材料学院博士生导师。主要从事高容量金属基储锂电极材料的应用基础研究,重点关注Sn基合金和Sn基氧化物负极材料,以期通过分步解决Sn基负极所涉及的寿命、库伦效率、能量效率、低温极化、宏量制备等问题,推动Sn基负极材料在高能效、安全、低温电池中的应用。在 Adv MaterActa MaterEnergy Environ SciAdv Funct MaterEnergy Storage MaterSci BullSci China MaterJ Energy Chem等学术期刊上发表论文80篇;获授权发明专利 15项,已向企业实施许可3项。2012年参与获得广东省科学技术一等奖;2018年入选国家自然科学基金优秀青年基金项目;2019年获中国热处理学会周志宏青年科技成就奖;2021年参与获得广东省专利金奖。

论文信息:

Multiscale Observations of Inhomogeneous Bilayer SEI Film on a Conversion-Alloying SnO2 Anode

Xuexia Lan, Jie Cui, Xingyu Xiong, Jiayi He, Hechuan Yu, Renzong Hu*

Small Methods 

DOI: 10.1002/smtd.202101111

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101111