新思路:如何实现锂枝晶的实时原位观察

锂枝晶生长是影响锂离子电池安全性和稳定性的根本问题之一。锂枝晶的生长会导致锂离子电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定,破坏生成的固体电解质界面(SEI)膜,锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积,形成死理造成低库伦效率;锂枝晶的形成甚至还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接,造成电池的热失控引发燃烧爆炸。关于锂枝晶的生长机理目前在学术界还存在争论。由于锂离子电池怕水怕氧,目前,常用的表征SEI的技术手段非常有限。利用各种电镜技术在纳米尺度理解锂枝晶生长的演化过程对解决这一问题至关重要。常规的透射电镜由于高能粒子的照射,容易引起SEI及电极结构的破坏;虽然低温冷冻电镜能够解决这一问题,但是由于使用条件的限制,在实验中无法使用常温电解液,也无法实现原位观察。此外,其昂贵的设备引进费用也制约了其推广。

中科院宁波材料所沈彩副研究员在前期利用原位电化学原子力显微镜(EC-AFM)对锂离子电池多种负极材料SEI膜成膜机理进行深入研究的基础上,利用SEI膜成膜电位比金属锂沉积电位更正的特点,设计了两步法研究锂枝晶的实时原位观察实验。研究者可通过利用EC-AFM实时研究以碳酸乙烯酯(EC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)为基础电解液的SEI膜的生长过程,并在此基础上进行原位锂枝晶的生长观察,通过对这两种电解液所形成的SEI膜的杨氏模量、CV图谱及EIS阻抗谱分析,结合XPS光谱分析,研究者发现FEC电解液所形成的SEI膜中含有较多的LiF无机盐,由于LiF具有较好的硬度和稳定性,使得SEI膜具有较高强度,能够有效抑制锂枝晶生长。

新思路:如何实现锂枝晶的实时原位观察图1 (a)EC-AFM实验电化学池结构图;(b)EC和FEC两种电极液所形成的SEI膜的弹性模量;
(c)金属锂在EC和FEC两种电极液所形成的SEI膜的沉积过程;(d)锂沉积机理示意图

电化学原子力显微镜结合光谱技术,有望成为锂枝晶生长机制研究的有力表征手段,通过对各种电解液和添加剂的优化筛选、形成对金属锂负极能够有效保护的SEI膜或涂层修饰结构,提升金属锂负极的循环稳定性。

该研究结果发表在Small Methods上(2017, 1700298,DOI:10.1002/smtd.201700298)。上述工作得到了国家重点研发计划、中科院先导计划、中科院青年创新促进会的资助。

 

文献链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.201700298/abstract

本文由微信公众号能源学人(ID:dyxxt2016)授权转载,原作者:中国科学院宁波材料所

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