▲第一作者:胡安俊,WeiChen,Xinchuan Du
锂(Li)金属具有高的理论比容量、重量轻和最低的负电化学势,被认为是高能可充电电池负极的最终选择。活性的Li金属会自发地与电解质中的有机成分发生反应,并形成固态电解质中间相(SEI)。SEI被认为是决定Li金属电池长期稳定性(尤其在高倍率条件下)的关键因素。然而,目前人们还没有完全阐明Li+在SEI中的传输机制,不足以构建实用的Li金属负极。因此,为了在实际高电流密度下获得稳定的Li负极,从理论和实验上理解SEI内的Li+传输机理至关重要。基于此,电子科技大学熊杰教授团队在国际顶级期刊Energy Environ. Sci. (IF: 38.532)上发表题为“An artificial hybrid interphase for an ultrahigh-rate and practical lithium metal anode”的研究工作。该工作通过在Li金属负极上构建了由锂锑合金(Li3Sb)和氟化锂(LiF)组成的人工混合SEI层,以揭示SEI中的Li+扩散行为机制,为在实际高倍率条件下稳定Li金属负极提供了思路。构造了由锂锑合金(Li3Sb)和氟化锂(LiF)组成的人工混合SEI,通过DFT计算表明离子导体Li3Sb是混合SEI层中的Li+传输介质和界面稳定剂,而电绝缘性的LiF降低了从Li负极到SEI的电子隧穿。因此,将Li3Sb组分掺入富LiF的SEI层有望实现增强的Li+吸附特性和扩散动力学并稳定Li负极。通过在室温下将Li金属浸入三氟化锑(SbF3)溶液中,在Li金属表面上形成了由LiF和Li3Sb组成的人工混合SEI层。人工混合SEI层的最优厚度为5 μm,此时表现出最低的界面电阻和最优的循环稳定性,具有稳定的SEI界面性质。此外,这种高离子传导性和电绝缘性的人工混合SEI层有望实现均匀Li沉积。人工混合SEI改性的Li负极能够在SEI/Li界面实现均匀的无枝晶Li沉积,并在20 mA cm-2的超高倍率下以低过电位(100 mV)实现稳定的Li电镀/剥离行为(1360次循环)。结果表明,在高电流密度下,人工混合SEI层改性的Li负极对于实现界面快速Li+传输和抑制Li枝晶生长方面具有优越性。通过有限元模拟(FES)表明人工混合SEI层中均匀分布的Li+通量和电场有利于促进无枝晶Li沉积。通过DET计算证明LiF的电子绝缘效应和Li3Sb的快速传输特性的协同效应使Li+避免在SEI表面还原,促进Li+快速扩散穿过SEI层,从而在SEI/Li界面处实现无枝晶Li沉积。通过人工混合SEI改性的Li金属负极构建的锂硫软包电池能够在高面积硫负载(6 mg cm-2)和低电解质/硫比(3 µl mg-1)下实现稳定循环60次,且容量保持率达91.5%。此外,该软包电池能够成功地为移动电子设备进行正常供电,展示其在实际条件下的应用潜力。这项工作通过在Li金属负极上构建人工混合SEI层,揭示了Li+在SEI内的扩散行为机制。实验和理论证明,作为离子通道的Li3Sb消除了SEI内的Li+扩散势垒,而电绝缘的LiF充当了SEI/Li界面处的电子阻挡屏蔽层,两者协同实现了在Li/SEI界面处的均匀Li沉积。此外,人工混合SEI层的高界面机械强度和良好的电化学稳定性抑制了循环过程中Li枝晶的生长。最后,其实际应用也在高硫负载和低电解液/硫比的锂硫软包电池中得到了展示。这种有效的改性策略和相应的机理分析为发展高能、长寿命的锂金属电池提供了重要指导。
A. Hu, W. Chen, X. Du, Y. Hu, T. Lei, H. Wang, L. Xue, Y. Li, H. Sun, Y. Yan, J. Long, C. Shu, J. Zhu, B. Li, X. Wang and J. Xiong, Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/d1ee00508a.https://doi.org/10.1039/D1EE00508A
目前评论:0