原位構(gòu)建有序結(jié)構(gòu)的SEI層用于高性能鋰金屬電池

便攜式智能器件與長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展對(duì)可充電的二次電池的能量密度提出了更高的要求。當(dāng)鋰負(fù)極與硫正極相匹配時(shí)，組成鋰硫電池的容量高達(dá)2600 Wh kg-1，這將適用于未來(lái)高能量密度需求的電動(dòng)汽車(chē)。在前期的硫正極研究中，從納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表面功能化出發(fā)（J. Power Sources， 2016， 321， 193；Nano Energy， 2017， 40， 390），制備了不同的活性納米催化劑復(fù)合材料（；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020， 12， 12727；Energy Storage Mater.， 2020， 28， 375；ChemSusChem， 2020， 13， 3404），并選用原位光譜手段研究了其相關(guān)作用機(jī)制 （Energy Storage Mater. 2019， 18， 246；Energy Environment. Mater. 2020， DOI： 10.1002/eem2.12152）。

在眾多負(fù)極之中，金屬鋰負(fù)極具有高的理論比容量和低的電極電勢(shì)。然而，壽命短和穩(wěn)定性差的問(wèn)題阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程。金屬鋰負(fù)極面臨的挑戰(zhàn)主要是：1）電化學(xué)形成的固態(tài)電解質(zhì)中間相（SEI）的脆性與疏松性，使得金屬鋰發(fā)生不均勻沉積與溶解，最終形成枝晶；2）體積膨脹引起的電極結(jié)構(gòu)變形和粉化。這些問(wèn)題不是相互獨(dú)立的，而是內(nèi)在有關(guān)聯(lián)的。

針對(duì)上述問(wèn)題，中科院蘇州納米所張躍鋼教授與藺洪振研究員團(tuán)隊(duì)從表面功能化角度出發(fā)，在金屬鋰表面制備了有序結(jié)構(gòu)的有機(jī)/無(wú)機(jī)SEI層，并選用原位和頻振動(dòng)光譜手段研究了其相關(guān)作用機(jī)制。

圖1 金屬鋰表面SEI層的結(jié)構(gòu)示意圖。

不同于常規(guī)的無(wú)序結(jié)構(gòu)或單一組分SEI的負(fù)極（圖1），我們利用高反應(yīng)活性Pyr13FSI離子液體在鋰金屬表面自組裝形成有序結(jié)構(gòu)的有機(jī)/無(wú)機(jī)SEI層，通過(guò)界面選擇性和頻振動(dòng)光譜（SFG）、X射線(xiàn)光譜（XPS）及原子力譜（AFM）表征了有序結(jié)構(gòu)中有機(jī)層與無(wú)機(jī)層的存在（圖2）。

圖 2 有序結(jié)構(gòu)SAHL-Li的自組裝演化過(guò)程及其界面有機(jī)、無(wú)機(jī)層的表征。

在電化學(xué)測(cè)試過(guò)程中，選用前期課題組報(bào)道LiFSI基醚類(lèi)電解液體系（ACS Appl. Mater. Interface 2019， 11， 30500），預(yù)處理的鋰金屬電極在高達(dá)10 mA cm-2的條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的可逆性與穩(wěn)定性，即便在3 mA h cm-2的大沉積溶解容量下也保持著高庫(kù)侖效率，這些電化學(xué)結(jié)果優(yōu)于絕大多數(shù)報(bào)道的文獻(xiàn)。循環(huán)后的SEM圖顯示，預(yù)處理的金屬鋰表面是光滑平整的，而原始鋰片則形成眾多的裂痕與粉化。

圖3 有序雙層SAHL SEI層修飾鋰金屬電極的電化學(xué)穩(wěn)定性。

進(jìn)一步地，該團(tuán)隊(duì)又選用了自主設(shè)計(jì)與研發(fā)的原位電化學(xué)和頻振動(dòng)光譜技術(shù)，原位SFG測(cè)試結(jié)果顯示有序有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化SEI層阻礙了溶劑分子在金屬鋰表面的吸附，對(duì)抑制鋰枝晶形成的具有優(yōu)勢(shì)。

圖4 原位SFG對(duì)SEI作用機(jī)制研究。

以上的研究成果的第一作者為王健博士，以“In-situ self-assembly of ordered organic/inorganic dual-layered interphase for achieving long-life dendrite-free Li metal anodes in LiFSI-based electrolyte.”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials 期刊中。 這些工作受到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及德國(guó)Alexander von Humboldt Foundation（洪堡基金）等基金項(xiàng)目支持。

責(zé)任編輯：PSY