王振华教授课题组在锂金属负极界面调控方面取得重要进展

leizhenyu

近日，北京理工大学化学电源与绿色催化北京市重点实验室王振华教授课题组在锂金属负极界面调控方面取得重要进展，相关成果发表在国际顶级期刊《Nano Letters》（影响因子10.8），北京理工大学为第一通讯单位，王振华教授为通讯作者，上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正副教授为共同通讯作者。
       锂金属因具有最高的理论比容量（3860 mAh g-1）和最低的氧化还原电位（−3.04 V vs. 标准氢电极），被认为是一种高潜力的负极材料。然而，当其直接应用于常规碳酸酯类电解液时面临严重的枝晶生长问题。通过电解液调控锂金属/电解液界面（Solid Electrolyte Interphase，SEI），以缓解枝晶生长，是目前研究的重要方向之一。课题组通过引入一种“自聚合“添加剂（EITC），在锂金属表面自聚成膜后，通过调节LiPF6和溶剂分子（EC）的界面化学行为，提高了SEI中LiF的含量（图1）。在该策略下，锂金属负极在常规碳酸酯电解液（1 M锂盐）中构建了富含LiF且有聚合物缠绕的SEI，且全电池实现了10 C下超过1000次的稳定循环，容量保持率高达81.4%，性能优于同类电池。研究成果以“A LiF-Rich Solid Electrolyte Interphase in a Routine Carbonate Electrolyte by Tuning the Interfacial Chemistry Behavior of LiPF6 for Stable Li Metal Anodes”为题，博士研究生张婧为第一作者。

图1. “自聚合”添加剂EITC调控界面化学

          研究通过理论计算和成分分析（XPS）确定了EITC在锂金属表面的自聚合行为，并通过Li||Li对称电池和Li||Cu半电池测试和验证了EITC对锂金属负极电化学性能的改善作用。不同电解液体系中锂金属负极的弛豫时间分布（DRT）分析和XPS分析发现，在EITC调控下的锂金属表面形成了富含LiF的SEI，而无添加剂组的SEI中存在大量LixPOFy中间产物。
         不同锂沉积量下锂金属的表面形貌以及锂成核沉积行为研究发现，在EITC参与形成的SEI下，锂更倾向于沿着平行电极的方向生长，形成“岛状”形貌，而非锂枝晶的“树枝状”形貌。进一步的理论计算、原位拉曼测试以及TOF-SIMS表征，证明了EITC在锂金属表面自聚成膜后会抑制EC分解，即减少Li2CO3的产生，进而影响LiPF6热分解路径的后续反应进程，不再产生LixPOFy；相反的，LiPF6的电化学分解路径持续进行，使得LiF在SEI中积累，最终在常规1 M锂盐浓度的碳酸酯电解液中，形成了富含LiF的SEI。
         含有1%-EITC的LTO|Li电池在10 C下循环1000次后，仍能保持81.4%的容量。此外，1 Ah LFP|Li软包电池，在6 C下同样具有稳定的循环性能，在200次的循环中实现了95%的容量保持率。该研究通过电解液添加剂的方式调控界面化学，在“非高浓“条件下成功得到富含LiF的SEI，为电解液调控金属锂界面化学的设计提供了一些新思路。
         全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03340
          文章来源：北京理工大学
         王振华，2009年于哈尔滨工业大学获得博士学位，现任北京理工大学预教授，博士生导师，电化学关键技术与化学电源教育部创新团队成员，中国颗粒学会青年理事。主要从事固体氧化物燃料电池、高比能量锂离子电池、锂硫电池关键材料的开发及应用方面的研究，先后主持了总装“863”课题3项，国家自然科学基金课题2项，参与科技部国际合作专项、总装“863”重大项目、企业横向课题多项，在Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、J. Mater. Chem. A、Chem. Comm.等期刊发表SCI论文62余篇，被SCI他引717次，授权国家发明专利4件，获2017年度教育部科技进步一等奖及2018年度国家技术发明二等奖（第二完成人）。