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LIB-MS-I丨東華大學劉天西教授AEM:鋰金屬負極的表面溴化實現高循環效率
來源: | 作者:中研小研 | 發布時間: 2023-02-23 | 94 次瀏覽 | 分享到:

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背景介紹

鋰金屬具有最低的還原電位(?3.04 V vs. SHE)和超高的理論比容量(3860 mAh g?1),被認為是下一代可充電電池的最終負極選擇。然而,由于鋰金屬負極表面的不可控枝晶生長,鋰金屬電池的循環壽命短,安全性差,阻礙了其大規模的商業化應用。大量研究表明,具有均勻化學成分和物理結構的固態電解質界面膜(SEI)有望解決這些問題。

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圖文解析

近日,東華大學材料科學與工程學院劉天西教授、王麗娜副教授等人提出了在鋰金屬表面利用簡單的浸泡方法人工構筑富溴化鋰(LiBr)SEI的策略。密度泛函理論計算證實了LiBr晶面(111)具有高的吸附能(?1.82 eV)和低的Li+擴散勢壘(0.015 eV),促進了Li+的遷移。電化學性能測試表明富含LiBr的SEI具有快速的Li+轉移動力學,能有效抑制鋰枝晶的生長。鋰沉積/剝離的原位形態觀察為循環過程中LiBr@Li電極的無枝晶表面提供了直接證據。當與商業正極配對使用時,良好的循環保持率和倍率性能進一步證明了人工構筑富LiBr SEI策略的可行性。

圖文要點


圖1 富LiBr人工SEI的制備過程和成分表征。XRD,FTIR,XPS表征表明LiBr為人工SEI的主要化學成分



圖2 人工SEI的形貌和厚度表征。從圖2中可以看出:LiBr@Li電極具有均勻且密集排列的晶體顆粒表面。電極的截面SEM結合EDS分析證實了人工SEI厚度約為2 μm

圖3 LiBr@Li||LiBr@Li電池的電化學性能。對稱電池測試顯示,含有LiBr保護層的電極在0.5 mA cm?2的電流密度下可穩定循環2400 h,過電位為13 mV。表明富含LiBr的SEI具有快速的Li+轉移動力學,能有效抑制鋰枝晶的生長


圖4 低溫性能測試。從圖4中可以看出:LiBr@Li||LiBr@Li電池在15°C至?30°C范圍內表現出更穩定的電壓分布和更低的過電位


圖5 鋰沉積/剝離的原位形態觀察,鋰沉積后的SEM表征以及循環前后的SEI成分變化。從圖5中可以看出:溴化處理后的鋰電極具有明顯的鋰枝晶抑制能力;LiBr在電池循環前后都是SEI的主要組成成分


圖6 LiBr各晶面的吸附能及擴散勢壘的計算。LiBr(111)/(110)晶面具有較低的吸附能,有利于Li+的吸附,且Li+在(111)/(100)晶面上的擴散勢壘很低,有利于Li+在SEI中的快速遷移


圖7 LiBr@Li||LFP電池的電化學性能

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原位實驗細節

使用原位鋰離子顯微成像池(LIB-MS-I)和光學顯微鏡相機(Belona,200X-800X)搭配,用于原位觀察鋰的電鍍/剝離行為。


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      總   結     

綜上所述,本文通過一種易發生的化學反應在鋰金屬表面構筑了一層富含LiBr的SEI膜。受益于LiBr晶面(111)為Li+提供了較高的吸附能和較低的擴散勢壘,實現了Li+在SEI中的快速遷移。因此,無論使用醚類或酯類電解質,都能實現穩定的高循環效率。本工作為調控鋰沉積/剝離行為提供了一種有效的策略,有望解決高能鋰金屬電池的安全問題。


原文鏈接:

Xiao Yao, Jin Wang, Shiru Lin, Chengzhou Tao, Xuezhi Zhang, Wei Wang, Chengcheng Zhao, Lina Wang,* Junwei Lucas Bao,* Yonggang Wang,* and Tianxi Liu, Surface Bromination of Lithium-Metal Anode for High Cyclic Efficiency, Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202203233



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