Advanced Energy Materials:固体电解质界面层中过电位调控的薄而致密的碳酸锂生长机制

构筑稳定且高动力学特性固态电解质界面层(SEI)成为研究热点,而LiF中的锂离子扩散能垒很高,且其构成的无机层结构不致密。与之对比,含有丰富锂空位的Li2CO3的Li离子扩散能垒很低,接近(甚至小于)石墨,且倾向于形成连续且光滑的结构,可以有效抑制寄生反应,因此碳基材料可能更需要富含Li2CO3的SEI。但是,富含Li2CO3的SEI膜研究较少且通常通过非原位方法构建,而传统循环方式原位生成的富Li2CO3的SEI不够致密。因此为构建高效富Li2CO3的SEI层,探索Li2CO3的生长机制并确定其对电化学性能的影响尤为重要。

近日,同济大学金黎明助理教授、郑俊生副研究员与美国阿贡国家实验室Zonghai Chen博士联合报道了一种过电位调控的Li2CO3生长机制,构建薄而致密的富含Li2CO3的SEI膜,其表现出高的锂离子去溶剂化能垒和低的锂离子扩散能垒,实现更少的界面副反应和更快的锂离子扩散。因此,具有大过电位下所生成SEI膜的负极表现出改善的自放电行为、高倍率和长循环性能。

过电位调控的Li2CO3生长机制示意图

研究人员展示了一种过电位调控的Li2CO3生长机制来构建薄而致密的富含Li2CO3的SEI。结合高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、能量色散光谱(EDS)和深度刻蚀X射线光电子能谱(in-depth XPS)测试结果,得到SEI组成、Li2CO3空间分布和过电位的关系。证明了随着过电位的增加,Li2CO3的尺寸逐渐减小,而含量增加。在高过电位(LOP)下可生成平均厚度为4.4 nm的富含 Li2CO3的连续、薄而致密的SEI无机层,可实现完全包裹阳极的边界。进一步经过变温度对称电池阻抗测试及电化学过程活化能计算,发现其表现出高的锂离子去溶剂化能垒,而低的锂离子扩散能垒,可实现更少的界面副反应和更快的锂离子扩散。因此,具有LOP下生成SEI的负极表现出改善的自放电行为、高倍率和长循环性能。过电位调控的Li2CO3生长机制为SEI的形成及其对电化学性能的影响提供了新的见解,并可以为使用碳酸酯类电解液的商业化LIB的化成过程中如何构建 SEI 无机结构提供指导。

论文信息:

Over-Potential Tailored Thin and Dense Lithium Carbonate Growth in Solid Electrolyte Interphase for Advanced Lithium Ion Batteries

Nan Qin, Liming Jin*, Yanyan Lu, Qiang Wu, Junsheng Zheng*, Cunman Zhang, Zonghai Chen*, Jim P. Zheng

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202103402

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202103402