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用工況下鋰金屬負(fù)極動態(tài)腐蝕規(guī)律方面取得了重要進展,。該研究成果以《Dynamic galvanic corrosion of working lithium metal anode under practical conditions》為題在線發(fā)表在材料類頂級國際期刊《Advanced Energy Materials》（《先進能源材料》,，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）,，對于實現(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隊在最新的研究工作中揭示了實用工作條件下金屬鋰負(fù)極動態(tài)電偶腐蝕機制，即在動態(tài)脫鋰過程中,，鋰金屬中的電子轉(zhuǎn)移至漸進暴露的新鮮銅表面繼而還原電解液組分,，產(chǎn)生擴展的固態(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,。通過耦合的先進表征技術(shù),，進一步闡明了動態(tài)脫鋰總步長、腐蝕電流衰減速率和SEI化學(xué)是影響動態(tài)電偶腐蝕程度的三個關(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)果表明由于在實際的大容量工況和高庫倫效率（CE）電解液體系中,，金屬鋰沉積層較致密，循環(huán)過程中腐蝕行為主要通過動態(tài)電偶腐蝕機制發(fā)生,，而非常規(guī)認(rèn)知的靜態(tài)過程,。電化學(xué)測試、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態(tài)腐蝕電流測試
基于以上認(rèn)識,，該研究團隊提出一種改進方案來定量測試此漸進腐蝕過程。通過系統(tǒng)的動態(tài)腐蝕電流測量,，闡明了動態(tài)脫鋰總步長,、腐蝕電流衰減速率和SEI化學(xué)是調(diào)節(jié)動態(tài)電偶腐蝕程度的三個關(guān)鍵因素。低脫鋰速率下,，延長的動態(tài)脫鋰總時間,、緩慢的腐蝕電流衰減速率和有機多孔SEI共同導(dǎo)致動態(tài)腐蝕副反應(yīng)的加劇。
圖3 不同脫鋰條件下實用鋰金屬負(fù)極動態(tài)電偶腐蝕路徑示意圖
該工作闡明了實用工況下金屬鋰動態(tài)腐蝕反應(yīng)的真實途徑和內(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)任中國顆粒學(xué)會理事，中國化學(xué)會能源化學(xué)專委會委員,，J. Energy Chem., InfoMat, Chin. Chem. Lett., Energy Mater. Adv.等刊編委,。曾獲評2022中國青年科技獎特別獎，2022中國顆粒學(xué)會自然科學(xué)一等獎,，2018年中國顆粒學(xué)會青年顆粒學(xué)獎,，2016年中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎等。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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