北理工課題組在鋰金屬負(fù)極界面演化領(lǐng)域發(fā)表研究成果
發(fā)布日期：2023-04-17 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)研究院
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近日,，北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授課題組在定量研究實(shí)用工況下鋰金屬負(fù)極動(dòng)態(tài)腐蝕規(guī)律方面取得了重要進(jìn)展,。該研究成果以《Dynamic galvanic corrosion of working lithium metal anode under practical conditions》為題在線發(fā)表在材料類(lèi)頂級(jí)國(guó)際期刊《Advanced Energy Materials》（《先進(jìn)能源材料》，影響因子29.698）,。本文的通訊作者為北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授,，第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉院博士研究生丁俊凡。
金屬鋰具有極高的理論比容量（3860 mAh g?1）和最負(fù)的電化學(xué)電位（?3.040 V vs. the standard hydrogen electrode）,，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高比能電池具有至關(guān)重要的意義,。然而，金屬鋰負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用一直受到其電化學(xué)性能的嚴(yán)重限制,，這在很大程度上源于其對(duì)腐蝕的高度敏感性,。由于金屬鋰的高反應(yīng)活性，腐蝕副反應(yīng)在表界面處不斷發(fā)生并導(dǎo)致嚴(yán)重的容量衰減,，然而領(lǐng)域內(nèi)目前對(duì)金屬鋰界面腐蝕規(guī)律認(rèn)知仍相當(dāng)匱乏,。
北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授團(tuán)隊(duì)在最新的研究工作中揭示了實(shí)用工作條件下金屬鋰負(fù)極動(dòng)態(tài)電偶腐蝕機(jī)制，即在動(dòng)態(tài)脫鋰過(guò)程中,，鋰金屬中的電子轉(zhuǎn)移至漸進(jìn)暴露的新鮮銅表面繼而還原電解液組分,，產(chǎn)生擴(kuò)展的固態(tài)電解質(zhì)膜（SEI）并消耗活性鋰容量。此副反應(yīng)在低脫鋰速率下更為顯著,。通過(guò)耦合的先進(jìn)表征技術(shù),，進(jìn)一步闡明了動(dòng)態(tài)脫鋰總步長(zhǎng)、腐蝕電流衰減速率和SEI化學(xué)是影響動(dòng)態(tài)電偶腐蝕程度的三個(gè)關(guān)鍵因素,。
圖1 不同脫鋰電流密度下的電化學(xué)性能和非活性鋰損失定量表征
在傳統(tǒng)的認(rèn)知之上,，本研究的結(jié)果表明由于在實(shí)際的大容量工況和高庫(kù)倫效率（CE）電解液體系中，金屬鋰沉積層較致密,，循環(huán)過(guò)程中腐蝕行為主要通過(guò)動(dòng)態(tài)電偶腐蝕機(jī)制發(fā)生,，而非常規(guī)認(rèn)知的靜態(tài)過(guò)程。電化學(xué)測(cè)試,、滴定氣相色譜和掃描電子顯微鏡結(jié)果表明在較低的脫鋰電流密度下,，腐蝕副反應(yīng)加劇，導(dǎo)致SEI Li+容量的提升以及CE的降低,。
圖2 不同脫鋰電流密度下動(dòng)態(tài)腐蝕電流測(cè)試
基于以上認(rèn)識(shí),，該研究團(tuán)隊(duì)提出一種改進(jìn)方案來(lái)定量測(cè)試此漸進(jìn)腐蝕過(guò)程。通過(guò)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)腐蝕電流測(cè)量,，闡明了動(dòng)態(tài)脫鋰總步長(zhǎng),、腐蝕電流衰減速率和SEI化學(xué)是調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)電偶腐蝕程度的三個(gè)關(guān)鍵因素。低脫鋰速率下,，延長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)脫鋰總時(shí)間,、緩慢的腐蝕電流衰減速率和有機(jī)多孔SEI共同導(dǎo)致動(dòng)態(tài)腐蝕副反應(yīng)的加劇。
圖3 不同脫鋰條件下實(shí)用鋰金屬負(fù)極動(dòng)態(tài)電偶腐蝕路徑示意圖
該工作闡明了實(shí)用工況下金屬鋰動(dòng)態(tài)腐蝕反應(yīng)的真實(shí)途徑和內(nèi)在影響因素,，為減少腐蝕反應(yīng)的發(fā)生,、設(shè)計(jì)下一代高能量密度電池的高可逆性鋰負(fù)極提供了依據(jù)。
論文詳情：
Dynamic Galvanic Corrosion of Working Lithium Metal Anode Under Practical Conditions
Jun-Fan Ding, Rui Xu, Ye Xiao, Shuo Zhang, Ting-Lu Song, Chong Yan, Jia-Qi Huang*
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202204305
附作者簡(jiǎn)介：
黃佳琦,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授,，博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員,。主要開(kāi)展高比能電池能源化學(xué)研究,。發(fā)表SCI論文200余篇，其中70余篇為ESI高被引論文,，H因子101,。擔(dān)任中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)理事，中國(guó)化學(xué)會(huì)能源化學(xué)專(zhuān)委會(huì)委員,，J. Energy Chem., InfoMat, Chin. Chem. Lett., Energy Mater. Adv.等刊編委,。曾獲評(píng)2022中國(guó)青年科技獎(jiǎng)特別獎(jiǎng)，2022中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)自然科學(xué)一等獎(jiǎng),，2018年中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng),，2016年中國(guó)化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)等。2018-2022年連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家,。
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