湘潭大學ACS Applied Materials & Interfaces: 鈷摻雜對鋰離子電池錫活性材料和銅集流體界面的強化作用

【引言】

錫負極因其較高的理論容量，儲量豐富，價格便宜，環境友好，較高的鋰離子存儲容量和電子導電性(1.1×10^?7)等優點，被認為是有希望的鋰離子電池負極材料。但是，錫負極在鋰化和去鋰化過程中經歷的巨大體積變形會引起活性材料的斷裂、粉碎，活性材料從集流體上剝離，以及固體電解質膜的反復形成和剝落，這直接導致電池容量的衰減和差的循環性能。近期的研究發現，鋰化誘導的活性材料和集流體界面強度衰減是界面層離的主要原因，因此，為了緩解鋰化過程中活性材料-集流體界面的層離，進一步提高電池的循環性能和容量保持率，就需要提高活性材料和集流體的界面結合強度。作為一種有效的材料性質改進方法，摻雜已被廣泛地用于調節和控制界面性質。最近有關金屬氧化物與金屬界面強度的研究表明，通過形成有效的化學鍵或促進界面間電荷轉移，可以強化界面結合強度。

【成果簡介】

近期，通過使用第一性原理計算模擬，湘潭大學馬增勝教授團隊報道了鈷(Co)元素摻雜對錫(Sn)活性材料和銅(Cu)集流體界面結合強度的強化作用，并研究了相關機理。通過對Co不同位置摻雜進行研究，他們發現Co在活性材料和集流體界面區域的摻雜都可以不同程度的增強界面結合作用，其中界面間隙位置是最佳的摻雜點，界面解離能可以提高約9%。這主要是由于Co與界面處的Sn、Cu以及Li原子(對于鋰化后的界面)形成較強的化學鍵。此外，較強的Li–Co離子鍵可以減少界面處電荷的積聚，抵消一部分鋰化對界面強度的削弱作用，從而提高了界面結合強度。但是，Co在活性材料和集流體內部的摻雜會削弱界面結合強度。另外，隨著Co含量的增加，界面系統的界面結合強度和電子穩定性都在不斷提高，但熱力學穩定性有所降低。通過研究界面系統的生成熱隨Co含量的變化規律，他們給出了最佳的Co摻雜含量。

相關成果以題為“Enhancement Effects of Co Doping on Interface Properties of Sn Electrode-Collector: A First-Principles Study”的文章在線發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

【圖文摘要】

【圖文導讀】

圖一、(a-c)和(e-h)分別為界面區域摻雜后的Sn/Cu和LiSn/Cu界面

優化后的(a) Sn/Cu-Co(inter)、(b) Sn/Cu-Co(Sn1)、(c) Sn/Cu-Co(Cu1)、(d) LiSn/Cu-Co(inter)、(e) LiSn/Cu-Co(Sn1)、(f) LiSn/Cu-Co(Li1)和(g) LiSn/Cu-Co(Cu1)界面。放大的視圖中給出界面上形成的主要Sn–Co和Cu–Co鍵以及相應的鍵長。Cu、Sn、Co和Li原子分別用棕色、藍色、紅色和綠色表示

圖二、(a) Sn/Cu、(b) Sn/Cu-Co(inter)、(c) LiSn/Cu和(d) LiSn/Cu-Co(inter)界面的pCOHP分析，以及(e-h)相應放大的界面處化學鍵的pCOHP分析

圖三、(a) Sn/Cu、(b) Sn/Cu-Co(inter)、(c) LiSn/Cu和(d) LiSn/Cu-Co(inter)界面總的和分波態密度圖

圖四、弛豫后的Sn/Cu-Co(inter)界面，Co含量分別是(a) 2.44%、(b) 3.61%、(c) 5.88%和(d) 6.98%

圖五、Sn/Cu-Co(inter)界面的生成熱(△H_f)隨Co含量的變化曲線

文獻鏈接：Enhancement Effects of Co Doping on Interface Properties of Sn Electrode-Collector: A First-Principles Study (ACS Applied Materials & Interfaces 2019, 11, 24648?24658. DOI: 10.1021/acsami.9b01418).

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b01418

本文由湘潭大學馬增勝教授團隊供稿。

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