北理工團隊在鋰離子電池硅負極研究領域取得重要進展

發(fā)布日期：2022-08-24 供稿：化學與化工學院曹敏花攝影：曹敏花

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近日，北京理工大學化學與化工學院曹敏花教授團隊在鋰離子電池硅負極研究領域取得重要進展，相關研究成果以“Transgenic Engineering on Silicon Surfaces Enables Robust Interface Chemistry”為題，在《ACS Energy Letters》期刊上在線發(fā)表（DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01202）。

在二次離子電池運行過程中，當電極在遠離電解質(zhì)熱力學穩(wěn)定極限的極端電勢下工作時，電解質(zhì)會發(fā)生分解并在負極表面形成固體電解質(zhì)（SEI）膜，SEI膜的持續(xù)積累是降低電池性能的重要因素之一。因此，尋找一種有效且通用的調(diào)節(jié)策略來實現(xiàn)界面穩(wěn)定的SEI 膜具有重大的科學意義，且是一個巨大的挑戰(zhàn)。電極和電解質(zhì)之間的界面化學在操控 SEI膜特性中起著至關重要的作用，調(diào)控活性成膜物質(zhì)吸附在電極表面的內(nèi)亥姆霍茲層（IHP），使其優(yōu)先還原，從而可以有效調(diào)節(jié)初始SEI膜的化學成分和結(jié)構(gòu)。然而，一些表面相對惰性的材料自身不能與目標成膜物種建立強相互作用，難以實現(xiàn)IHP內(nèi)的特性吸附，因此如何操控電極的吸附特征對于快速構(gòu)建穩(wěn)定的SEI膜至關重要。

論文以高理論容量的硅負極為研究對象，為解決這一難題提供了一個新思路。理論計算表明，相對于硅，MoSe₂的邊緣結(jié)構(gòu)對于氟代碳酸乙烯酯（FEC）具有更強的吸附作用，同時FEC在MoSe₂表面更容易發(fā)生分解。基于此作者設計了核殼結(jié)構(gòu)的Si@MoSe₂，其中MoSe₂帶有豐富邊緣結(jié)構(gòu)。紅外和拉曼研究表明，在首次放電過程中，電解液中的FEC分子可以在Si@MoSe₂表面優(yōu)先還原分解，這有利于構(gòu)建FEC-derived SEI膜來穩(wěn)定電極表面。電化學測試證實了Si@MoSe₂表現(xiàn)出更高的庫倫效率、更佳的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能、以及更快的離子傳輸動力學。論文進一步分析了SEI膜的組成、結(jié)構(gòu)和機械強度等特征。原子力顯微鏡和透射電鏡表明Si@MoSe₂表面的SEI膜具有薄、強度高、分布均勻的特征。X射線光電子能譜和核磁證明了Si@MoSe₂表面 SEI具有更多的Poly(VC)和LiF組分。該策略成功調(diào)控了硅負極表面SEI膜的組分和形貌等相關特性，使其表現(xiàn)出了高儲鋰性能。

圖1 （a,b）Si@MoSe₂的表征；（c,d,e）Si@MoSe₂與Si電極的電化學性能；（f）首次放電中Si@MoSe₂電極表面SEI的形成過程；（g-j）Si@MoSe₂與Si電極表面SEI的表征。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c01202.

附作者簡介：

曹敏花，北京理工大學化學與化工學院教授，博士生導師，教育部新世紀優(yōu)秀人才，洪堡學者。主要從事能源存儲與轉(zhuǎn)化材料的功能導向性設計及電化學機理研究。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Energy Letters, ACS Nano, Nano Energy, Chem. Mater., J. Mater. Chem. A等期刊上發(fā)表SCI論文100余篇。

北理工團隊在鋰離子電池硅負極研究領域取得重要進展

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