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锂电池负极表界面去溶剂化过程可视化与调控

浏览数:378    更新时间:2024/04    

      近日,我院乔羽教授课题组在锂金属负极表界面表征与调控的研究中取得重要进展。相关成果以“Visualizing and Regulating Dynamic Evolution of Interfacial Electrolyte Configuration during De-solvation Process on Lithium-Metal Anode”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.(DOI: 10.1002/anie.202400254)。

     固态电解质界面膜(SEI)作为钝化保护层在维持锂负极的稳定性方面起着至关重要的作用。Li电沉积过程(去溶剂化过程)伴随着电解液阴离子和溶剂还原分解形成SEI。然而,目前的电解液调控及相关的SEI改性策略往往只重视体相溶剂化构型,忽略了Li/电解液界面内电解液溶剂化构型的动态演变带来的SEI差异。事实上,界面的电解液溶剂化构型从本质上决定了SEI的结构组成。

     在这项工作中,研究团队通过原位红外(IR)和磁共振成像(MRI)技术,可视化观测锂金属负极工作过程(去溶剂化过程)界面电解液溶剂化构型的变化。具体而言,本工作显示在锂金属沉积(去溶剂化)过程中,自由溶剂在界面累积,随着界面区域Li+浓度下降,界面阴离子浓度由于电荷守恒下降,导致“贫阴离子富自由溶剂”的界面形成。相关研究证明了界面电解液溶剂化构型与SEI组分结构之间的紧密关系,这一关系目前经常被简化或忽视。“贫阴离子富自由溶剂”的界面不利于形成阴离子衍生SEI。该研究工作引入脉冲方法,借助关断时间恢复界面阴离子浓度,形成阴离子衍生的SEI,丰富且广泛分布的LiF有效得抑制了锂枝晶生长,延长了电池循环寿命。本工作对帮助理解界面电解液溶剂化结构和指导设计SEI提供了全面而完整的视角。

锂电池负极表界面去溶剂化过程可视化与调控

锂负极去溶剂化过程界面电解液溶剂化构型变化可视化示意图

      该工作在我院乔羽教授和电子科学与技术学院曹烁晖副教授的指导下完成,2022级博士生王君豪为第一作者。该论文得到国家自然科学基金(22021001、22179111、22288102、21974117、22202082),国家重点研发计划(2021YFA1201900、2021YFA1501504),嘉庚创新实验室基础研究项目(RD2021070401)等,以及固体表面物理化学国家重点实验室的支持。

      论文链接:https://doi.org/10.1002/anie.202400254