北理工團(tuán)隊(duì)在鋰離子電池硅負(fù)極研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-08-24 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 曹敏花 攝影：曹敏花
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近日,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院曹敏花教授團(tuán)隊(duì)在鋰離子電池硅負(fù)極研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)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(yùn)行過程中，當(dāng)電極在遠(yuǎn)離電解質(zhì)熱力學(xué)穩(wěn)定極限的極端電勢(shì)下工作時(shí),，電解質(zhì)會(huì)發(fā)生分解并在負(fù)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(shí)現(xiàn)界面穩(wěn)定的SEI 膜具有重大的科學(xué)意義,，且是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。電極和電解質(zhì)之間的界面化學(xué)在操控 SEI膜特性中起著至關(guān)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(xué)成分和結(jié)構(gòu),。然而,，一些表面相對(duì)惰性的材料自身不能與目標(biāo)成膜物種建立強(qiáng)相互作用，難以實(shí)現(xiàn)IHP內(nèi)的特性吸附,，因此如何操控電極的吸附特征對(duì)于快速構(gòu)建穩(wěn)定的SEI膜至關(guān)重要,。
論文以高理論容量的硅負(fù)極為研究對(duì)象，為解決這一難題提供了一個(gè)新思路,。理論計(jì)算表明,，相對(duì)于硅，MoSe2的邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)于氟代碳酸乙烯酯（FEC）具有更強(qiáng)的吸附作用,，同時(shí)FEC在MoSe2表面更容易發(fā)生分解,。基于此作者設(shè)計(jì)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(xué)測(cè)試證實(shí)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(dòng)力學(xué)。論文進(jìn)一步分析了SEI膜的組成,、結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(fù)極表面SEI膜的組分和形貌等相關(guān)特性，使其表現(xiàn)出了高儲(chǔ)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(xué)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(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授,，博士生導(dǎo)師,，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，洪堡學(xué)者,。主要從事能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化材料的功能導(dǎo)向性設(shè)計(jì)及電化學(xué)機(jī)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。
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