西安交大肖春辉、丁书江课题组 Angew:高通量固态电解质界面(SEI)诱导(110)取向锂沉积,实现无枝晶锂金属电池
西安交大肖春辉、丁书江课题组 Angew:高通量固态电解质界面(SEI)诱导(110)取向锂沉积,实现无枝晶锂金属电池
Chem-MSE
聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态,与相关机构共同合作,发布实用科研成果,结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素,构建其科技产业化协同创新平台,服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。
点击蓝字关注我们
金属锂(
Li
)具有高比容量、低密度和低氧化还原电位,是下一代可充电电池的一种极具潜力的材料。然而,锂金属电池(
LMBs
)面临着循环效率低和安全性较差等问题,这与不受控制的锂枝晶生长有关。作为一种典型的电沉积过程,
Li
沉积的形貌本质上取决于电沉积
Li
的晶体结构。
Li
是一种体心立方结构(
bcc
)的晶体,通常表现出低指数晶面
(110)
和高指数晶面
(200)
、
(211)
等。由于
Li
原子在
Li(110)
平面上的迁移势垒比在
Li(200)
平面上低,容易在
Li
(
110
)表面横向扩散迁移,产生平面状无枝晶锂沉积。因此通常认为
Li(110)
面比其他晶面更不容易生长枝晶。控制具有择优(
110
)取向的锂电结晶是实现高度可逆的锂金属电池(
LMBs
)的一种有效的策略,但缺乏简单的调控方法。
近日,
西安交通大学肖春辉教授
、
丁书江教授课题组通过设计高通量固态电解质界面
(SEI)
,诱导
Li(110)
取向的锂沉积,实现了无枝晶锂金属电池。
通过简单高效的
SEI
工程,采用
CF
3
Si(CH
3
)
3
(F
3
)
滴涂策略,有效诱导高
LiF
和
-Si(CH
3
)
3
含量的高通量
SEI
(
F
3
-SEI
)。加速了
Li
+
的传输动力学,确保
SEI
下的高的
Li
+
浓度,有利于的
Li
(
110
)取向。通过
Bravais
规则和
Curie-Wulff
原理,解耦了
SEI
工程与锂电结晶择优取向之间的关系。多光谱技术与动力学分析表明,诱导的
Li
(
110
)晶面进一步促进了
Li
原子的表面迁移,避免尖端聚集,从而形成了平面的、无枝晶的
Li
沉积。
F
3
-SEI
使
Li||Li
对称电池能够长期稳定
336
天以上。
F
3
-SEI
也能显著提高
Li||LiFePO
4
和
Li|||NCM811
扣式电池和软包电池的循环寿命。该工作对从晶体学角度抑制
Li
枝晶提供新的思路,促进性能优异的
LMBs
的发展,也为其他金属晶体的择优取向提供一定的指导。该工作由国家自然科学基金
(No.51973171)
、西安交通大学青年拔尖人才支持计划和陕西省自然科学基础研究项目
(No.2022TD-27,
No.2020-JC-09)
支持,也得到了西安交通大学分析测试共享中心的支持。
图
1.
通过
SEI
工程对
Li(110)
和
Li(200)
的晶体学调控。
(a)
在普通
SEI
中缓慢且不均匀的
Li
+
传输的苛刻条件下,快速生长的
Li(200)
晶面诱导垂直的
Li(200)
取向的枝晶生长。
(b)
在通过
SEI
工程提供快速和充足的
Li
+
的理想条件下,
Li
的生长遵循
Bravais
规则和
Curie-Wulff
原理,实现平面
Li(110)
取向的
Li
沉积。
图
2. SEI
和
Li
晶体学分析。
(a)
由
CF
3
Si(CH
3
)
3
(定义为
F
3
)形成的
SEI
的示意图。
(b)
循环前
F
3
-Li
的
SEM
图像和
EDX
元素图。
(c)
通过
XPS
溅射刻蚀技术分析沉积
Li
之后
F
3
-Li(c)
和纯
Li(d)
的
SEI
的深度分布。
Li
沉积后
F
3
-Li(e,f)
和纯
Li(h,i)
的低倍
(e,h)
和高分辨
(f,i)Cryo-EM
图像。
(f,i)
插图:快速傅立叶变换
FFT
图像。
(g)F
3
-Li
在初始成核阶段的
FFT
图像。
(j)Li
在初始成核阶段的选区电子衍射(
SAED
)图。
图
3. Li
沉积的晶体学分析。
(a) F
3
-Li
的原位
XRD
图。
(b)
锂沉积
5mAh/cm
2
之后
F
3
-Li
的
2D-general
area XRD
图。
(c)
锂沉积
5mAh/cm
2
之后纯
Li
的
2D-general
area XRD
图。
(d)
锂沉积之前纯
Li
的
2D-general
area XRD
图。
(e,f)
锂沉积
10mAh/cm
2
之后
F
3
-Li
的极图。
(g,h)
锂沉积
10mAh/cm
2
之后
Li
的极图。
(i,j)
锂沉积之前纯
Li
的极图。
图
4. Li
沉积形貌的表征。
F
3
-Li(a-d)
和纯
Li(e-h)
在
1mA/cm
2
和
1mAh/cm
2
下循环
20
圈的非原位
SEM
图像。
(i-n)
通过
X
射线计算机断层扫描在
1mA/cm
2
的电流密度下
Li
沉积
5mAh/cm
2
后,
F
3
-Li(i-k)
和纯
Li(l-n)
的侧视图、左视图和相应的重构
3D
图。
(o,p)
沉积
10mAh/cm
2
后的
F
3
-Li
和纯
Li
的
3D
白光显微镜图像。
(q,r)
在
3mA/cm
2
电流密度下沉积
60
分钟和在
5mA/cm
2
的电流密度下沉积
150
分钟的
(q)F
3
-Li
和
(r)
纯
Li
的原位光学显微镜观测。
图
5.
动力学分析。
(a)
电解液接触角分析。
(b)F
3
-Li||F
3
-Li
和
Li||Li
对称电池的交换电流密度。
(c)
在
1mA/cm
2
的固定电流密度和
1mAh/cm
2
的面容量下,在
F
3
-Li
和
Li
上恒流沉积
Li
的电压时间曲线。
(d)
活化能分析。通过
COMSOL
Multiphysics
对
(e)F
3
-SEI
诱导的平面
Li
沉积和
(f)
纯
Li SEI
诱导的垂直
Li
沉积上的
Li
+
浓度分布的模拟计算。
(g)F
3
-Li||F
3
-Li
对称电池在电流密度从
1
到
8mA/cm
2
、沉积面容量为
1mAh/cm
2
的电压时间曲线。
图
6.
扣式电池和软包电池的电化学性能。
(a)F
3
-Li||NCM811
软包电池开路电压和由其供电的发光
LED
的图片。
(b)Li||NCM811
软包电池的循环性能。
(c) Li||NCM811
全电池在
1C
下的循环性能。
(d)Li||NCM811
全电池的倍率性能。
(e) Li||LFP
全电池在
1C
下的循环性能。
(f)Li||LFP
全电池的倍率性能。
(g)
在高正极负载量为
24mg/cm
2
和
N/P
比为
1
的有限
Li
的实际条件下,
Li|||NCM811
全电池在
1C
下的循环性能。
综上所述,该研究通过
SEI
工程有效诱导了
(110)
晶面取向的沉积,采用简单的
CF
3
Si(CH
3
)
3
滴加方法形成高通量
SEI
,加速了
Li
+
的传输动力学,促进了
Li
+
在
SEI
上的表面迁移。形成的
Li(110)
能进一步加速
Li
原子在
Li
金属表面的迁移。根据
Bravais
规则和
Curie-Wulff
原理,充分而均匀的
Li
+
供给可以形成平行于
Li
衬底的平面无枝晶
(110)
取向的
Li
沉积。这项工作证明了通过
SEI
工程有效控制
Li
晶体取向的可行性,加深了对沉积过程中
Li
晶体学的理解,并促进了
LMBs
的工业化进程。
作者简介
向上滑动阅览
丁书江
,西安交通大学化学学院教授,博士生导师,化学学院院长。陕西省杰出青年基金获得者,教育部
“
新世纪优秀人才
”
,陕西省
“
青年科技新星
”
。西安交通大学腾飞特聘教授、西安交通大学青年拔尖
A
类入选者。西安交通大学研究生优秀导师。研究工作涉及高分子
/
无机物纳米结构复合材料的设计,制备及其在电化学储能(锂
/
钠离子电池、锂硫电池、固态电池、燃料电池、锂离子电池回收)、传感器等方面的应用基础研究。以第一作者或者通讯作者身份在
Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. int. Ed., Energy Environ.
Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Chem. Mater., Small,
J. Mater. Chem A
等期刊上发表论文
160
余篇。科研项目包括国家自然科学基金面上和青年项目,博士点基金、陕西省基金等。获奖包括:
2016
年陕西青年科技奖,
2017
年陕西省高等学校科学技术奖一等奖(第一完成人)。曾入选科睿唯安(
Clarivate
)交叉学科领域的全球高被引科学家,爱思唯尔(
Elsevier
)中国高被引学者。
肖春辉 ,西安交通大学化学学院教授,博士生导师。主要研究兴趣为电催化、电分析化学、金属腐蚀与防护等。主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、中央高校基本业务费交叉项目及 10 余项校企合作项目。在国际知名化学学术刊物如 Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Fuct. Mater., Nano Energy, Chem. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Anal. Chem. 等发表研究论文 80 余篇 , ESI 高被引论文 5 篇,热点论文 1 篇,共计被引用 3800 余次。 h 因子 37 。
原文链接
https://doi.org/10.1002/anie.202309622
相关进展
西安交大丁书江教授团队 Angew:多重动态键驱动全固态锂电池正极/聚合物电解质一体化
西安交大丁书江、高国新团队 Small:具有多重响应的光弹性有机凝胶
西安交大丁书江教授团队《Nat. Commun.》:在动态超分子离子导电弹性体研究领域取得新进展
西安交大丁书江教授团队 Nat. Commun.:聚合物基固态电池的有效载流子扩展
西安交大丁书江教授课题组Angew:调控锂枝晶生长界面助力长循环锂金属电池
北化大于乐教授课题组与西安交大丁书江教授团队《JMCA》:功能化聚合物在锂金属负极电解质优化和界面改性中的应用
西安交大丁书江教授团队新突破:疏水、耐温性离子导体软材料
西安交大延卫教授课题组、丁书江教授课题组等在柔性电池研究领域取得重要进展
西安交通大学丁书江教授课题组在聚合物固体电解质方面取得新进展
西安交通大学丁书江教授团队NPG Asia Materials介电凝胶:高介电常数,低弹性模量和优异透明性
西安交通大学丁书江教授课题组在新型离子导电弹性体方面取得进展
西安交大丁书江、高国新团队 Small:具有多重响应的光弹性有机凝胶
西安交大丁书江教授Angew. Chem.:通过电流密度调控长循环寿命锂金属电池中金属锂的定向沉积
北化大于乐教授与西安交大丁书江教授JMCA:功能化聚合物在锂金属负极电解质优化和界面改性中的应用
化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享,刊物或媒体如需转载,请联系:chem@chemshow.cn
扫二维码|关注我们
微信号 : Chem-MSE
欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程及生物医学工程等产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn,并请注明详细联系信息。化学与材料科学会及时选用推送。
-
2023年血糖新标准公布,不是3.9-6.1,快来看看你的血糖正常吗? 2023-02-07
-
2023年各省最新电价一览!8省中午执行谷段电价! 2023-01-03
-
GB 55009-2021《燃气工程项目规范》(含条文说明),2022年1月1日起实施 2021-11-07
-
PPT导出高分辨率图片的四种方法 2022-09-22
-
2023年最新!国家电网27家省级电力公司负责人大盘点 2023-03-14
-
全国消防救援总队主官及简历(2023.2) 2023-02-10
-
盘点 l 中国石油大庆油田现任领导班子 2023-02-28
-
我们的前辈!历届全国工程勘察设计大师完整名单! 2022-11-18
-
关于某送变电公司“4·22”人身死亡事故的快报 2022-04-26
