【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】金屬電池負(fù)極SEI(solid electrolyte interphase，固體電解質(zhì)界面相)是電池內(nèi)部傳輸離子、阻隔電子的重要界面層, 其性質(zhì)以及穩(wěn)定性直接影響著電池性能。盡管現(xiàn)有研究報(bào)道充分證明了金屬氫化物(氫化鋰、氫化鈉)是SEI的重要組成部分，但是作為近些年才被發(fā)現(xiàn)的無(wú)機(jī)組分，針對(duì)SEI中高含量金屬氫化物的離子傳輸機(jī)制、自身穩(wěn)定性，尤其是其與電池性能的偶聯(lián)關(guān)系仍鮮少被深入探究。
青島能源所崔光磊研究員帶領(lǐng)的固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心自2021年至今持續(xù)致力于探究SEI中金屬氫化物的相關(guān)性質(zhì)。早在2021年研究團(tuán)隊(duì)便首次發(fā)現(xiàn)了鋰金屬負(fù)極粉化失效(Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60,7770– 7776 )以及電池?zé)崾Э睾蜌浠嚧嬖诿芮嘘P(guān)聯(lián)(Adv. Sci. 2021,8,2100676)，此后兩年內(nèi)持續(xù)推進(jìn)相關(guān)研究，探究了氫化鋰在與鍺負(fù)極失效(Angew. Chem. Int. Ed. 2023,62,e202306141)、鈉金屬負(fù)極中氫化鈉導(dǎo)致的鈉金屬電池失效等相關(guān)耦連機(jī)制(Energy Storage Materials61 (2023) 102891)。近日，研究中心聯(lián)合燕山大學(xué)以及大連化物所，繼續(xù)深入開(kāi)展了系列關(guān)于鋰金屬電池SEI中氫化鋰相關(guān)的先進(jìn)研究。
針對(duì)現(xiàn)階段高比容量硅負(fù)極面臨嚴(yán)重粉化失效威脅的現(xiàn)狀，相比“電化學(xué)鋰化導(dǎo)致硅粉化失效”的傳統(tǒng)認(rèn)知，研究首次報(bào)道了SEI中氫化鋰含量與硅粉化失效的強(qiáng)關(guān)聯(lián)，研究證明高氫化鋰對(duì)應(yīng)嚴(yán)重粉化的原因是硅負(fù)極SEI中的氫化鋰會(huì)在硅脫鋰時(shí)反向鋰化硅。與硅的電化學(xué)鋰化不同的是，氫化鋰對(duì)硅的局域鋰化是不均勻的，極易誘發(fā)硅顆粒的應(yīng)力分布不均勻，進(jìn)而加速硅的粉化失效(圖1)。
圖1 氫化鋰逆向鋰化硅導(dǎo)致其應(yīng)力分布不均勻示意圖
此外，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)設(shè)計(jì)同位素交換實(shí)驗(yàn)結(jié)合示蹤實(shí)驗(yàn)，聯(lián)用先進(jìn)的TOF-SIMS技術(shù)，首次深入揭示了SEI中氫化鋰相關(guān)離子傳輸機(jī)制。相比氧化鋰的體相傳輸、氟化鋰的表面?zhèn)鬏數(shù)葌鹘y(tǒng)SEI無(wú)機(jī)組分，氫化鋰的傳輸機(jī)制表現(xiàn)出獨(dú)特的電化學(xué)分解特性(圖2)。
圖2 SEI中關(guān)鍵無(wú)機(jī)組分鋰離子傳導(dǎo)機(jī)制示意圖
基于對(duì)氫化鋰電化學(xué)不穩(wěn)定性的揭示，研究明確提出了未來(lái)SEI的設(shè)計(jì)原則：高氧化鋰或氟化鋰含量，盡可能低的氫化鋰含量。相關(guān)成果近期發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition和Advanced Materials。該研究得到了科技部重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者以及國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃等的資助。(文/圖 孫金燃)
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