（a）電流密度衍生界面演變規(guī)律示意圖，（b）界面離子傳輸阻抗，（c）不同化成制度下電極倍率性能，（d）快速化成界面結(jié)構(gòu)，（e）快速化成界面演變結(jié)構(gòu) 圖片來源：中國科學(xué)院物理研究所
來自中國科學(xué)院物理研究所的消息顯示，鋰離子電池應(yīng)用主要歸功于，其在電極-電解液界面處形成良好的鈍化膜（又稱固體電解質(zhì)界面SEI膜），阻止了界面副反應(yīng)。通常，SEI膜具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和成分，包含多種理化性質(zhì)顯著差異的有機(jī)與無機(jī)、結(jié)晶與非晶物種。在實際電池運行過程中，SEI膜的結(jié)構(gòu)和成分動態(tài)演變，控制電池內(nèi)部反應(yīng)動力學(xué)和健康狀態(tài)。因此，研究SEI膜的形成、生長與演化機(jī)制，對提升電池性能具有科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心特聘研究員王雪鋒團(tuán)隊，聚焦電極-電解液界面動態(tài)演變過程，結(jié)合冷凍電鏡技術(shù)和其他先進(jìn)表征方法，揭示界面相在不同工況下的形成機(jī)制和演變過程。此前研究發(fā)現(xiàn)，降低溫度導(dǎo)致電解液不徹底分解，在金屬鋰負(fù)極表面形成阻礙鋰離子傳輸?shù)母挥袡C(jī)亞穩(wěn)態(tài)SEI膜。因此，團(tuán)隊提出通過“低LUMO能級+極性基團(tuán)”電解液設(shè)計策略，形成富無機(jī)SEI膜，來提高電池低溫容量。
在上述工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)一步探討負(fù)極界面在不同電流密度下的形成與演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電流密度會改變電解液中溶劑與鋰鹽的分解路徑，即SEI膜形成路徑。在小電流密度時，電解液優(yōu)先發(fā)生單電子還原反應(yīng)，形成富含有機(jī)物的SEI界面相；在大電流密度時，電解液優(yōu)先發(fā)生雙電子還原，形成富含無機(jī)物的SEI界面相。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，無機(jī)物的形核與生長過程符合經(jīng)典形核理論，且隨著電流密度升高，生成的無機(jī)物數(shù)量增多、粒徑減小。這些細(xì)小的無機(jī)顆粒在SEI膜內(nèi)緊密堆疊且分布均勻，可為Li+提供豐富的晶界傳輸通道，降低Li+遷移勢壘并提升其在界面的傳輸速率，提高電池的倍率性能。同時，致密結(jié)構(gòu)可抑制電解液的持續(xù)分解，保障后續(xù)快速充電過程中SEI膜的動態(tài)穩(wěn)定性。這種界面層能夠增強(qiáng)界面離子傳輸，改善石墨負(fù)極的快充性能。
上述研究突破了常規(guī)認(rèn)識，為高性能二次電池的界面設(shè)計和性能提升提供了新思路與實驗依據(jù)。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Energy Letters上。
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