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储能科学与技术

锂离子电池领域取得重要进展,打破传统

2020-2-10 12:46| 发布者: admin| 查看: 201| 评论: 0

摘要: 日常生活中我们经常用到锂离子电池,比如手机、笔记本电脑等大多数使用锂离子电池,电动汽车产业对于锂离子电池的需求也越来越多。可是在锂离子电池造福人类的同时,它同样存在着潜在的危险,时常发生的锂离子电池的 ...

日常生活中我们经常用到锂离子电池,比如手机、笔记本电脑等大多数使用锂离子电池,电动汽车产业对于锂离子电池的需求也越来越多。可是在锂离子电池造福人类的同时,它同样存在着潜在的危险,时常发生的锂离子电池的燃烧和爆炸事故给人们的生命和财产安全带来了很大的威胁。设计出更加安全、高性能的锂电池是亟待解决问题。

在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是Li+ 的优良导体,Li+ 可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface) ,简称SEI 膜。

SEI 膜的形成对电极材料的性能产生至关重要的影响。一方面,SEI 膜的形成消耗了部分锂离子,使得首次充放电不可逆容量增加,降低了电极材料的充放电效率;另一方面,SEI 膜能大大提高了电极的循环性能和使用寿命。深入研究SEI膜的性质及其影响因素,寻找改善SEI 膜性能的有效途径,一直都是研究热点。虽然SEI层决定了大多数电池的性能,但人们对于SEI层的结构和性质的了解还非常有限。

日前,科学家使用二次离子质谱(SIMS)实验手段结合分子动力学模拟方法对SEI层的形成与物理化学性质进行了研究。相关结果以题为“Real-time mass spectrometric characterization of the solid–electrolyte interphase of a lithium-ion battery”发表于Nature Nanotechnology 杂志(IF=33)。

论文链接:

https://www.nature.xilesou.top/articles/s41565-019-0618-4

在这项工作中,研究人员提供了锂离子电池SEI形成的动态图,该锂离子电池在操作中使用了液体-二次离子质谱,并结合了分子动力学模拟。研究发现,在任何相间化学发生之前(在初始充电期间),由于溶剂分子的自组装,在电极/电解质界面形成了双电层。双层的形成由Li +和电极表面电势控制。这个双层的结构决定了最终的相界面化学性质。

固液界面原位分析示意图

本文提出的SEI模型

特别地,带负电的电极表面从内层排斥阴离子,并产生薄而致密的、无机的SEI内层。正是这个致密层负责传导Li +而绝缘电子。在SEI内层形成后,会出现电解质可渗透、富含有机物的外层。研究发现SEI内层的主要成分为氧化锂,否定了相界面上含有氟化锂的传统观点。这些实时的纳米级观测将有助于为将来的电池设计更好的界面相。(来源:材料科学与工程公众号)


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