Small Methods:界面工程提高微米硅负极的热安全性

电池的安全性对锂离子电池(LIBs)至关重要,尤其是用于电动汽车的高能量密度电池。作为一种容量高、储量丰富的负极材料,硅在LIBs中受到了广泛关注。然而在脱嵌锂过程中,硅巨大的体积变化,容易导致颗粒破裂,电极结构破坏及固体电解质界面(SEI)膜的重复生长等问题,严重影响硅负极的循环稳定性,甚至产生安全隐患。因此,硅负极的安全性和长循环性,特别是在高温条件下,对高能量密度LIBs极具挑战。其中,SEI膜的分解是LIBs热失控的第一步,其热行为对电池的安全性至关重要,因此研究SEI膜的电化学/力学/热化学行为对硅基电池安全性的影响具有重要意义。

基于此,华中科技大学胡先罗教授课题组通过构建强大的SEI实现了微米硅负极的高可逆和耐高温性能,阐明了SEI膜对微米硅负极的安全性和可逆性的协同作用,有利于促进微米硅负极在安全LIBs中的应用。

图1. 硅负极的电化学性能

这项工作采用了一种具有中等浓度的离子液体(IL)电解液,由N-丁基-N-甲基吡咯烷基双(氟磺酰基)酰亚胺(Pyr14FSI)和双氟磺酰亚胺锂(LiFSI,2 m)组成,其与LIBs中的微米硅负极具有良好的兼容性,有助于形成具有热稳定、高模量和富无机组分特征的坚固SEI膜,因此微米硅负极在25-80 °C的宽温度范围内展现出优异的循环稳定性(图1)。

图2. 温度对SEI膜组分的影响

通过对微米硅负极电化学、机械和热化学行为的全面分析,该项工作发现高热稳定性、高模量和富无机物组分的SEI能极大提高微米硅基软包电池的热安全性。结合先进的表征技术,揭示了微米硅负极的热失效机制。因此,该工作有助于指导本征稳定/安全电极的合理设计和开发。

图3. 热失控特性和失效机制

论文信息:

Interface Engineering to Boost Thermal Safety of Microsized Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries

Qing Liu, Tao Meng, Le Yu, Songtao Guo, Yunhuan Hu, Zhifang Liu, Xianluo Hu*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202200380

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202200380