Nat. Commun.：氟化雜化固態電解質界面用于無枝晶鋰沉積

luna1 4年前 (2020-01-12) 4505瀏覽

【背景】

由于鋰的高理論容量(3860 mAh g-1)，低密度(0.59 g cm-3)，低氧化還原電位(3.04 V相對于標準氫電位)，基于鋰(Li)金屬負極的下一代電池已經被廣泛研究，如鋰空氣和鋰硫電池等。鋰電池需要具備更高的容量才能與可再生能源相結合，然而，鋰沉積不均勻，在電鍍/剝離過程中鋰的體積變化劇烈，形成易碎的固態電解質間相(SEI)，導致了鋰枝晶的生長和死鋰的形成，這種不可逆性會消耗鋰和電解質，導致持續的容量衰退和低庫侖效率(CE)，同時鋰枝晶和死鋰也會對任何基于鋰金屬負極的電池造成嚴重的安全隱患。人們已經做了大量的工作，以致密和可逆的方式沉積鋰金屬。例如，先進的納米結構的集流體取代傳統的銅箔，以降低電流密度并調整Li沉積位點；對隔膜進行改性；固體或凝膠電解質的使用，相比于揮發性和易燃的有機液體電解質也具有很多優勢，能防止寄生反應的發生，同時提供良好的柔性。除此之外，負極的外保護層的研究也引起了廣泛的關注。

【成果簡介】

近期，南達科他州立大學喬啟全、周越和美國陸軍研究實驗室許康教授共同通訊在Nat. Commun.期刊上發表題為“Fluorinated hybrid solid-electrolyte-interphase for dendrite-free lithium deposition”的研究論文。為應對鋰枝晶的生長和不穩定的固態電解質間相（SEI）的形成，在本工作中作者開發了一種簡便、經濟、一步完成的方法，通過含錫電解液處理鋰負極來制造人工鋰金屬SEI。結果顯示,一個人工固態電解質界面由LiF、Sn、和Sn-Li合金形成,不僅可保證鋰擴散和抑制鋰枝晶的快速生長，還帶來了一個協同效應使鋰通過可逆的Sn-Li合金存儲并保證下面Li的電鍍沉積。在這種人工SEI條件下，鋰對稱電池表現出了優異的電鍍/剝離循環，與裸鋰相比，全電池具有更好的循環穩定性、容量保持能力以及較高的容量利用率。

【圖文導讀】

圖1.鋰枝晶在裸鋰和有人工SEI保護層的鋰電極上的生長示意圖

圖2.鋰電極的結構和形貌表征

(a) 不同濃度的SnF2處理的Li電極的XRD圖譜；

(b-e) 不同濃度的SnF2處理的Li電極的光學照片；

(f-i) 不同濃度的SnF2處理的Li電極的表面SEM圖片；

(j-m) 不同濃度的SnF2處理的Li電極的截面SEM圖片（刻度尺條代表100μm）。

圖3. 對稱電池的測試與交流阻抗的測試

(a) 具有不同厚度的人工SEI膜的鋰電極的對稱式電池的測試結果；

(b) 具有不同厚度的人工SEI膜的鋰電極的對稱式電池的未循環時的交流阻抗；

(c) 裸鋰電極與AFH-25電極組成的對稱式電池的循環10次后的交流阻抗；

(d) 裸鋰電極與AFH-25電極組成的對稱式電池的循環10次后的交流阻抗。

 

圖4. 電化學性能和高分辨率掃描電鏡成像

(a) 裸鋰電極對稱電池的CV曲線；

(b) AFH-25電極對稱電池的CV曲線；

(c) AFH-25電極的高分辨SEM圖片，比例尺條為2μm；

(d) AFH-25電極的EDS；

(e) AFH-25電極對應的元素分布。

 

圖5. 對稱電池的電化學測試與形貌表征分析

(a-b) 對稱電池分別在電流密度為0.5 mA cm-1和1 mA cm-1時電鍍/剝離的電壓曲線；

(c-d) a和b對應的平均電壓滯后；

(e-g) 裸鋰的分別在第1、10和100圈時的SEM圖片；

(h-j) AFH-25鋰電極的分別在第1、10和100圈時的SEM圖片，刻度尺條代表20μm。

 

圖6. 基于裸鋰和AFH-25鋰負極的電池的電化學性能比較

(a) 兩種電極的在電流密度為1C時的長循環測試表現；

(b-c) 兩種電極的電池在電流密度為1C時的第3圈和第150圈時的充放電曲線；

(d) 兩種電極與NMC111組成的電池的倍率性能展示；

(e-f) 兩種電極與NMC111組成的電池在不同電流密度時的充放電曲線。

【結論】

人造SEI由LiF、Sn和Sn-Li合金組成，是Li負極在含有SnF2的電解液中處理而成,其化學和機械穩定性保護了Li 避免發生副反應并抑制了鋰枝晶的快速生長，同時允許快速的Li+運輸和可逆的Li-Sn合金化過程。優異的電化學性能在Li/ /Li對稱式電池和基于NMC111正極的Li金屬全電池得以證明,該電極表現出長期電鍍/剝離穩定行(~ 2325 h),降低了過電壓和高容量保留率80.01%。這種基于SnF2誘導間相的Li負極的有效方法為高能量密度存儲設備的開發打開了另一扇門，不僅可以使用于過渡金屬氧化物正極，而且可以應用于新興正極材料的電池，如Li-S和Li-O2電池等。

文獻鏈接

Fluorinated hybrid solid-electrolyte-interphase for dendrite-free lithium deposition

本文由luna編譯供稿。

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