研究背景
成果简介
研究亮点
该工作首次研究了碳酸酯类电解液中,金属锂沉积过程中电势下降现象出现的原因,提出金属锂沉积电势的下降是由于在循环的过程中,SEI中的有机组分在沉积过程中的累积以及脱出过程中的分解造成的。本文得到的结论可以为后续电解液的设计提供指导,也为如何针对一个现象进行深入研究提供了一个很好的范例。
图文导读
图1. 金属锂沉积脱出的电势曲线,电流密度为1.0 mA cm-2。第二圈的沉积容量分别为
(a) 2.0 mAh cm-2。
(b) 3.0 mAh cm-2。
(c) 3.0, 5.0 and 10.0mAh cm-2。
(d) 在0.5 mA cm-2沉积容量为 2.0 mAh cm-2。
要点解读:图1给出了一些在不同的循环容量下锂铜半电池的循环曲线,锂沉积开始时会出现明显的电势下降(紫色虚线圆圈),在后续的循环过程中,金属锂沉积的平台电势也会出现明显的降低(红色虚线圆圈)和醚类电解液体系下有明显的区别。并且在不同的电流密度和循环容量的条件下,金属锂的沉积电势均表现出明显的降低,说明这种行为在碳酸酯类电解液中是普遍存在的。此外一些观察结果表明,电势的下降值与电流密度和集流体的比表面积有关。
图2. 在不同沉积脱出容量过程下SEI的红外测试。
a)第2圈。
b)第5圈。
c)第20圈。
d)在指定圈数下,金属锂沉积脱出的电压曲线。
以1645 cm-1处的峰值强度为参考。
图3. SEI中C 1s XPS能谱演化规律。
a)沉积脱出不同容量金属锂,在第二圈时的XPS能谱分析 (以C 1s谱的284.8 eV作为校正,内插图为典型的C 1s 的能谱分峰)。
b)在沉积容量为2.0 mAh cm-2以及循环圈数为二十圈充电结束时的XPS能谱分析。
要点解读: XPS用来分析在相同的循环圈数、不同的沉积容量下SEI成分的演变情况。其中,289.8 eV的峰对应于ROCO2Li和Li2CO3两种产物。在锂沉积的过程中,其含量随着沉积容量的增加而增加。尤其是沉积容量从1.0 mAh cm-2增加到1.6 mAh cm-2的过程中(此时对应于沉积电势急剧下降的阶段),ROCO2Li和Li2CO3的含量增长最快,这意味着ROCO2Li和Li2CO3含量的增加是电势下降的原因。综合考虑脱锂过程,288.5 eV的峰基本上没有什么变化,说明Li2CO3是电化学稳定的,因此说明289.8 eV峰的在脱锂过程中出现削弱主要是由于ROCO2Li分解导致的。在第20次循环中,289.8eV峰在金属锂沉积脱出的过程中变化不明显,这说明此时该峰对应的主要成分是Li2CO3。这表明,SEI组分的有机物在沉积锂过程中增加,在锂脱出过程中减少。与此同时,无机物的含量呈反比变化,随着反应的进行趋于稳定。
图4 .沉积不同容量的金属锂后,在不同圈数下的阻抗演化图。
a)第一圈。
b)第二圈。其中图中的插图表示的是根据等效电路图拟合的阻抗值。
要点解读: 从图中可以看出,在首圈充放电的过程中,欧姆阻抗,SEI阻抗和电荷转移阻抗几乎都没有什么变化。此外,上图还表明电池的SEI阻抗和欧姆阻抗不会随着金属锂沉积而变化,与初始沉积金属锂时相同,但是电荷转移阻抗却有明显的变化。这说明在金属锂沉积脱出的过程中,SEI层有机物的分解或其组分的变化不会改变SEI的阻抗,但会对电荷转移阻抗产生显著的影响。随着金属锂沉积容量达到1.4 mAh cm-2左右,电荷转移电阻急剧增大,对应于沉积金属锂电势明显下降。而电荷转移阻抗很大程度上取决于电极表面的性质 (如表面形态和双电层的结构或SEI中的物质组成等)。电荷转移阻抗对锂脱出过程中SEI中有机绝缘成分ROCO2Li的减少和锂沉积过程中ROCO2Li的增加非常敏感。反之说明SEI中有机成分的变化会引起电沉积过程中电势的变化。
总结展望
总的来说,碳酸酯类电解液的分解和以及不稳定SEI的形成和更新是造成锂沉积过程中电势下降的原因。在沉积的过程中,由于SEI中的有机成分(ROLi,ROCO2Li)的形成,导致这导致电荷转移阻抗明显增加,从而导致电池严重极化,金属锂沉积电势的下降。另一方面,在锂脱出的过程中,SEI中的有机成分(ROLi,ROCO2Li)分解为一些无机物(Li2CO3,Li2O),形成了更致密的SEI。因此,在某些循环后不再发生电势下降现象,但是由于存在很厚的SEI层,电池的极化变得更加严重。这些发现为通过优化电解液溶剂和添加剂来构造稳定的SEI从而改善二次锂电池的性能提供了新的思路。
文献链接
Understanding the Dropping of Lithium Plating Potential in Carbonate Electrolyte(Nano Energy doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104486)
原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520300434
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