【DFT+實驗】孫世剛/黃令/王崇太,Nature子刊

MS楊站長 2024-03-12 17:53:40

爲了防止副反應發生並保持锂金屬負極的界面穩定性,必須在锂金屬和電解質之間形成穩定的固體電解質界面(SEI)。近年來,提高锂金屬負極界面穩定性的有效策略主要集中在電解質設計方面。其中一種策略是通過調節電解質的降解過程或消耗電解質的特定成分來引入穩定的SEI層。盡管如此,在使用碳酸鹽電解質時,锂金屬負極表面仍然會發生寄生反應。 此外,由于锂的高反應性,即使在低汙染的手套箱中儲存,锂表面也會形成鈍化層。即使采用最有效的電解質設計,這些鈍化層也無法從锂表面完全去除。在自發的化學反應過程中,鈍化層的化學成分會沿著锂表面發生變化。因此,電化學動力學也會在金屬負極的不同位置産生變化,導致不均勻的锂離子通量,並導致锂枝晶的生長。

在此,廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室孫世剛院士、黃令教授,海南師範大學王崇太教授等團隊提出了用七氟丁酸進行表面改性制備高穩定性锂金屬負極的技術。通過使用七氟丁酸對金屬锂進行表面改性。锂和有機酸之間的原位自發反應産生了七氟丁酸锂的親锂界面,用于無枝晶物的均勻锂沉積,這大大改善了傳統碳酸酯基電解質中的循環穩定性(在1.0 mA cm−2,锂/锂對稱電池>1200 h)和庫倫效率(>99.3%)。 這種親锂界面還能使全電池在實際測試條件下的300次循環中實現83.2%的容量保持。七氟丁酸锂界面作爲電橋,在锂負極和電鍍锂之間形成均勻的锂離子通量,最大限度地減少了曲折的锂枝晶的發生,降低了界面阻抗。

圖1. HFA-Li對抑制锂枝晶生長的作用

具體而言,該工作證明了七氟丁酸鹽可以同時去除表面鈍化層,並在Li表面構建氟羧酸锂保護界面。特別地,碳鏈長度爲4的七氟丁酸锂爲Li負極提供了最好的保護。HFA處理後産生的保護界面提高了Li表面與碳酸鹽基電解質的化學親和力,促進了Li的均勻沉積,從而增強了Li金屬負極的循環穩定性。 與使用裸Li生産的電池相比,使用HFA-Li負極組裝的Li/Li對稱電池和Li||NMC811全電池表現出顯著提高的循環穩定性。這項工作中提出的路線被證明在下一代LMB的穩定锂金屬負極的設計和開發中是有用的。

圖2. HFA-Li負極的界面性質

Surface modification using heptafluorobutyric acid to produce highly stable Li metal anodes,Nature

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MS楊站長

簡介:德國馬普所科研民工,13年材料理論計算模擬經驗!