原子力显微镜在锂离子电池界面研究中的应用

近几年,电动汽车市场的飞速发展对锂离子电池的能量密度和安全性提出了更高的要求. 然而,过去近30年,在应用终端市场的大力推动下,锂离子电池的电极材料、电池结构设计和生产工艺都已经发展得比较成熟,容量提升空间已经比较小,想要进一步提高现有锂离子电池的能量密度,需要对锂离子电池的整个系统和工作原理有更深刻和全面的理解. 存在于锂离子电池电极材料和电解液之间的固态电解质中间相（solid electrolyte interphase,SEI）已被证明是一个影响电池性能的重要因素,目前学术界和产业界对其认识还不是很全面,尤其是高分辨、工况下以及多技术联合的界面表征工作较少见到报道. 原子力显微镜（atomic force microscopy,AFM）通过探测针尖与样品之间的相互作用力,能够在原子尺度上原位表征液态电池界面的形貌以及力学特性,对于电极界面的理解和调控非常重要. 本文作者通过总结近几年AFM在锂离子电池SEI研究的中的应用,并结合本课题组在该领域的工作,对AFM技术在锂离子电池SEI研究中的应用做了总结和展望,对加深锂离子电池界面的理解,以及构建稳定锂电池界面的相关研究有参考意义.     

固态锂硫电池研究进展（英文）

固态锂硫电池具有高能量密度和高安全性的潜在优势,被认为是最有前景的下一代储能体系之一。虽然固态电解质的应用有效地抑制了传统锂硫电池存在的“穿梭效应”和自放电现象,固态锂硫电池仍面临着多相离子/电子输运、电极/电解质界面稳定性、化学-机械稳定性、电极结构稳定性和锂枝晶生长等关键问题亟待解决。针对以上问题,本综述对近年来固态电解质、硫基复合正极、锂金属及锂合金负极以及电极/电解质界面的研究进行了详细的论述。作为固态锂硫电池的重要组成部分,固态电解质近年来受到了研究者们的广泛关注。本文首先对在锂硫电池中得到广泛应用的聚合物基、氧化物基、硫化物基固态电解质的种类和性质进行了概述,并对其在固态锂硫电池中的最新应用进行了系统的总结。在此基础上,对以单质硫、硫化锂、金属硫化物为活性物质的复合硫正极、锂金属及锂合金负极的反应机理以及面临的挑战进行了归纳和比较,对其解决策略进行了总结和分析。此外,对制约固态锂硫电池性能的电极/电解质界面离子/电子输运以及界面相容性问题及其改性策略进行了系统的阐述。最后,对固态锂硫电池的未来发展进行了展望。     

聚合物固态锂电池电解质/负极界面

动力电池领域对锂二次电池的能量密度和安全性提出了更高要求,研究高能量密度固态锂电池对发展新能源产业具有重要意义。相比传统的有机电解液锂离子电池,采用聚合物固体电解质的聚合物固态锂电池不但具有明显提升的安全性,而且能够匹配高容量电极材料,实现能量密度的有效提升。聚合物固态锂电池是最有前景的锂二次电池之一,然而聚合物固体电解质与锂负极间仍存在严重的界面副反应、锂负极表面易生长枝晶等问题。近年来,通过电解质成分调控、电解质力学性能提升、电解质/锂负极界面调控和匹配三维锂负极等手段,聚合物基固态锂电池性能明显提升。基于此,本文介绍了常见的聚合物固体电解质及其与锂负极间的界面挑战,从添加无机填料、使用高强度基底膜、分级层状结构设计、构筑界面缓冲层、交联网络设计以及固态锂负极保护等几个方面综述了提升聚合物基电解质/锂负极界面稳定性的最新研究成果,最后对解决聚合物固体电解质/锂负极界面兼容性的研发方向和发展趋势进行了展望。     

人工界面层在金属锂负极中的应用

金属锂具有极高的比容量(3860 mAh·g^?1)和最低的电化学反应电位(相对标准氢电位为?3.040 V),被认为是高能量密度二次电池最具潜力的负极材料。然而金属锂负极界面稳定性差、不可控的枝晶生长、沉积/剥离过程中巨大的体积变化等严重阻碍了金属锂负极的商业化应用。在金属锂表面构建一层物理化学性质稳定的人工界面保护层被认为是解决金属锂负极界面不稳定和枝晶生长,缓解体积膨胀带来的界面波动等一系列问题的有效手段。本综述依据界面传导性质,从离子导通而电子绝缘的人工固态电解质界面(SEI)层、离子/电子混合传导界面、纳米界面钝化层三个部分对人工界面保护层进行了归纳总结。分析了人工界面保护层的物质结构与性能之间的构效关系,探讨了如何提高人工界面保护层的物理化学稳定性、界面离子输运、界面强度与柔韧性、界面兼容性等。最后,指出用于金属锂负极的人工界面保护层目前面临的主要挑战,并对其未来的发展进行了展望。     

定制电解液或隔膜实现锂离子各向异性输运从而抑制枝晶生长：相场模拟研究

电池内部不可控的枝晶生长问题严重地影响着电池的循环性能和安全性能,这对于锂金属电池的实际应用是一个严峻的挑战。尽管已有较多的实验和理论研究工作聚焦于电极间锂离子各向异性输运特性对枝晶形貌的影响,但仍有一些开放性的问题有待进一步研究,例如,如何将枝晶生长的动态演变与电解液性质、电势分布或隔膜多孔结构诱导的锂离子各向异性输运关联起来。我们通过将锂离子在电解液中的扩散系数(DL)表示为二阶张量的形式并进行相场模拟,发现D_yy:D_xx比值的增加,以及电势诱导的电极/电解液界面锂离子快速扩散层均可以降低界面处锂离子浓度梯度和电势梯度,从而减弱枝晶生长的驱动力。我们还发现隔膜基体与y方向之间夹角的增大也会显著促进电解质中的锂离子各向异性输运特性,以利于抑制枝晶生长。籍此本文提出设计D_yy:D_xx=10:1的电解液和基体倾斜角为arctan (0.5)的隔膜用于锂金属电池。该相场研究有望为设计具有抑制枝晶能力的电解质或隔膜提供指导。     

嵌锂石墨充电机制的abinitio和DFT理论研究

用ab initio/HFt DFT/B3LYP方法探究了在锂离子二次电池中锂离子在石墨负 电极材料里可逆脱过程。理论计算结果表明，嵌锂石墨LIG充放电机制是锂在石黑 碳层间可闹乱子嵌脱，同时伴随着锂与碳层间发生电荷连续转移和碳层堆积方式改 变的协同过程；计算结果也明确证实，嵌锂石墨嵌入脱出锂离子的过程就是锂离子 二次电池储存与释放能量的过程，提出的嵌锂石墨充放电机制较好地丰富了固体电 解质相界面SEI机理和单电子还原机理。     

固态电解质锂离子输运机制研究进展

全球环境问题推动了可充电锂电池技术的飞速发展.与液态电解液相比,固态电解质不易燃,构筑所得固态电池的安全性能得以提升.如果能够理解固态电解质中的离子输运行为,就能精准调控固态电池锂的动力学稳定性和倍率性能.随着计算机技术的快速发展,原子尺度模拟技术成为理解材料离子输运的重要手段.针对以上问题,本综合评述首先汇总了固体材料中的常见扩散机制;然后介绍了固态电解质中的锂离子输运机制,着重讨论了影响固态电解质锂离子输运的重要因素(晶体结构、电子结构、外部因素及晶界);最后对固态电解质锂离子输运机制研究进行了总结与展望.     

嵌锂石墨充电机制的abinitio和DFT理论研究

用ab initio/HFt DFT/B3LYP方法探究了在锂离子二次电池中锂离子在石墨负 电极材料里可逆脱过程。理论计算结果表明，嵌锂石墨LIG充放电机制是锂在石黑 碳层间可闹乱子嵌脱，同时伴随着锂与碳层间发生电荷连续转移和碳层堆积方式改 变的协同过程；计算结果也明确证实，嵌锂石墨嵌入脱出锂离子的过程就是锂离子 二次电池储存与释放能量的过程，提出的嵌锂石墨充放电机制较好地丰富了固体电 解质相界面SEI机理和单电子还原机理。     

固态锂电池中正极/电解质界面的密度泛函计算研究

锂离子电池的广泛应用对储能器件的能量密度、安全性和充放电速度提出了新的要求. 全固态锂电池与传统锂离子电池相比具有更少的副反应和更高的安全性,已成为下一代储能器件的首选. 构建匹配的电极/电解质界面是在全固态锂电池中获得优异综合性能的关键. 本文采用第一性原理计算研究了固态电池中电解质表面及正极/电解质界面的局域结构和锂离子输运性质. 选取β-Li₃PS₄ (010)/LiCoO₂ (104)和 Li₄GeS₄ (010)/LiCoO₂ (104)体系计算了界面处的成键情况及锂离子的迁移势垒. 部分脱锂态的正极/电解质界面上由于Co-S成键的加强削弱了P/Ge-S键的强度,降低了对Li⁺的束缚,从而导致了更低的锂离子迁移势垒. 理解界面局域结构及其对Li+输运性质的影响将有助于我们在固态电池中构建性能优异的电极/电解质界面.     

锂离子电池电解液的研究进展(英文)

综述现今锂离子电池电解液的研究进展 .评估了电解液中锂盐、溶剂、填加剂以及杂质等对电解液的电导、固体电解质相界面 (SEI)的形成、电池循环寿命等的影响     

面向高性能锂-硫二次电池应用的非对称电极-电解质界面（英文）

锂-硫电池具有高的理论电芯比能量和低成本,是极具应用前景的下一代电化学储能技术,已被广泛研究。实用化锂-硫电池技术目前面临的挑战主要包括正极侧电活性硫物种在充放电过程中的不可逆损失,负极侧枝晶形核生长,以及因活性硫迁移至负极而导致的界面副反应,上述问题会导致电池工况条件下性能迅速衰退,引发电池失效和安全问题。本工作中,我们提出通过设计非对称的电极-电解质界面稳定锂-硫电池正负极电化学,协同促进电极/电解质体相和界面电荷输运,从而延长电池循环寿命,显著提升电化学性能。本文所讨论的策略有望指导电池界面理性设计,助力实现高性能的锂-硫电池。     

基于聚苯乙烯磺酸的锂金属负极界面保护层的设计

将聚苯乙烯磺酸(PSS)进行锂化处理后, 涂覆在锂箔表面, 在锂金属表面构筑一层均匀的聚苯乙烯磺酸锂(PSSLi)界面保护层, 形成PSSLi@Li复合电极. 通过红外光谱(FTIR)、 电化学阻抗谱(EIS)、 电池性能分析和有限元多物理场仿真模拟等方法, 对该复合电极进行了结构和性能研究. 结果表明, PSSLi界面保护层能有效地避免电解液与锂金属的直接接触, 抑制了“死锂”和锂枝晶的生成. 聚苯乙烯磺酸锂具有整齐排布的磺酸基团, 为锂离子提供了稳定的传输通道, 能够均匀化锂离子的迁移速率, 调节锂离子在电极表面的浓度分布, 并实现均匀的锂金属沉积/剥离. 电化学实验数据表明, 将该PSSLi界面层涂覆在铜箔表面进行库仑效率测试, 循环 350次实验后仍然能够保持在99.5%以上; 利用PSSLi@Li复合电极组装形成的对称电池, 在1 mA/cm²的电流密度、 1 mA·h/cm²的面积容量下, 能够稳定循环1200 h以上; PSSLi@Li与磷酸铁锂正极材料组装的全电池, 在1C倍率下循环500次后, 仍具有115 mA·h/g的容量, 容量保持率可达81%以上; 在8C的高倍率下, 该电池的容量可达到105 mA·h/g.     

锂-硫二次电池界面反应的特殊性与对策分析

锂-硫电池是在现有锂离子电池基础上最可能实现储能密度大幅提升的实用二次电池体系. 然而,这一电池体系的电化学利用率与循环稳定性仍然难以满足应用要求. 造成锂-硫电池性能不稳定的原因在于硫正极和锂负极的材料结构和反应环境始终处于变化之中,如在充放电过程中,硫-碳反应界面的电化学阻塞、中间产物的溶解流失、正负极之间的穿梭效应等副反应导致正极与负极均难形成稳定的电化学反应界面。针对这些特殊问题,本文简要分析了影响能量利用率和循环稳定性的化学与电化学机制,并提出了构建稳定锂负极与高效硫正极的若干可行性技术.     

新型锂盐LiBC2O4F2在EC+DMC溶剂中的电化学行为

采用差热-热重(TG-DTA)、恒电流充放电和交流阻抗(EIS)分析了二氟草酸硼酸锂(LiODFB)的热稳定性, 研究了LiODFB/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)电解液的电化学性能及界面特征. 实验结果表明, LiODFB不仅具有更高的热稳定性, 而且在EC+DMC溶剂中具有较好的电化学性能. 与使用LiPF6/EC+DMC的电解液相比, 锂离子电池应用LiODFB基电解液在55 ℃的高温具有更好的容量保持能力; 以0.5C、1C(1C=250 mA·g-1)倍率循环放电, 两种电池间的倍率性能差别较小; LiODFB能够在1.5 V(vs Li/Li+)左右在石墨电极表面还原形成一个优异稳定的保护性固体电解质相界面膜(SEI膜); 交流阻抗表明, 使用LiODFB基电解液的锂离子电池仅具有稍微增加的界面阻抗. 因此LiODFB是一种非常有希望替代LiPF6用作锂离子电池的新盐.     

电解液组成对中间相石墨微球电化学性能的影响

以2800℃热处理的煤焦油沥青基中间相石墨微球为锂离子二次电池负极材料,考察了中间相石墨微球在不同组成的电解质溶液中的电化学嵌脱锂性能.确定了试样在不同电解液中电极表面生成的SEI膜的化学组成和相对含量,剖析了共溶剂对SEI膜形成反应、膜组成和织构的影响.结果表明,在不同共溶剂的EC基电解液中,电极界面SEI膜形成的电位虽然不同,但SEI膜的化学组成基本相同,负极界面SEI膜的织构是决定电解液与电极材料相容性的关键.     

锂离子电池硅基负极界面工程的研究进展

Si基负极材料具有比容量高和嵌锂电势低等优点,已成为提高锂离子电池能量密度的关键材料.但其巨大的体积膨胀和与电解液间的副反应造成了严重的界面问题.本文从硅负极界面的定义出发,对界面问题、成因和形成机制进行了综合评述;并分别从结构优化、人工界面构筑、电解液配方优化和固态电池中的界面问题4个方面阐述了硅基负极界面工程的发展现状;最后,对硅基负极界面问题的解决方案进行了总结与展望.     

影响电池性能的因素：金属离子溶剂化结构衍生的界面行为还是固体电解质界面膜?

通过电解液分解在电极上形成的固体电解质界面（SEI）层被认为是影响电池性能的最重要因素。 然而，我们发现金属离子溶剂化结构也会影响其电极性能，尤其可以阐明许多SEI无法解释的实验现象。基于该综述，本文总结了金属离子溶剂化结构和衍生的金属离子去溶剂化行为的重要性，并建立了相应的界面模型以展示界面行为和电极性能之间的关系，并将其应用于不同的电极和电池体系。我们强调了电极界面离子/分子相互作用对电极性能的影响，该解释与以往基于SEI的解释不同。该综述为理解电池性能和指导电解液设计提供了一个新的视角。     

功能化固态电解质膜改性锂金属负极的研究进展

对高比能量锂离子电池需求的不断增加激发了锂金属负极的应用研究。锂金属具有高放电比容量(3860 mAh·g^?1),低电极电位(?3.04 V),是锂离子电池的理想负极材料。然而,锂金属在循环过程中会形成不稳定的固态电解质(SEI)膜,而且会生成枝晶,枝晶的生长会引发电池短路等安全问题,极大地阻碍了其应用。理想的SEI膜应具有良好的锂离子传导性、表面电子绝缘性和机械强度,可调控锂离子在表面均匀沉积,促进离子传输,抑制枝晶生长,因此构筑功能化SEI膜是解决锂金属负极所面临挑战的一项有效策略。本综述以锂金属枝晶形成和生长的机理为出发点,分析总结SEI膜的构建策略、不同组成SEI膜的结构和功能特性及其对锂金属负极性能的影响,并对锂金属实用化面临的挑战及未来发展方向进行了展望。     

固态锂电池中正极/电解质界面的密度泛函计算研究（英文）

锂离子电池的广泛应用对储能器件的能量密度、安全性和充放电速度提出了新的要求.全固态锂电池与传统锂离子电池相比具有更少的副反应和更高的安全性,已成为下一代储能器件的首选.构建匹配的电极/电解质界面是在全固态锂电池中获得优异综合性能的关键.本文采用第一性原理计算研究了固态电池中电解质表面及正极/电解质界面的局域结构和锂离子输运性质.选取β-Li_3PS_4(010)/LiCoO_2(104)和Li_4GeS_4(010)/LiCoO_2(104)体系计算了界面处的成键情况及锂离子的迁移势垒.部分脱锂态的正极/电解质界面上由于Co-S成键的加强削弱了P/Ge-S键的强度,降低了对Li+的束缚,从而导致了更低的锂离子迁移势垒.理解界面局域结构及其对Li+输运性质的影响将有助于人们在固态电池中构建性能优异的电极/电解质界面.     

新型锂盐LiBC2O4F2在EC＋DMC溶剂中的电化学行为

采用差热-热重(TG-DTA)、恒电流充放电和交流阻抗(EIS)分析了二氟草酸硼酸锂(LiODFB)的热稳定性,研究了LiODFB/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)电解液的电化学性能及界而特征.实验结果表明,LiODFB不仅具有更高的热稳定性,而且在EC+DMC溶剂中具有较好的电化学性能.与使用LiPF6/EC+DMC的电解液相比,锂离子电池应用LiODFB基电解液在55℃的高温具有更好的容量保持能力;以0.5C、1C(1C=250 mA·g-1)倍率循环放电,两种电池间的倍率性能差别较小;LiODFB能够在1.5 V(vs Li/Li+)左右在石墨电极表面还原形成一个优异稳定的保护性固体电解质相界面膜(SEI膜);交流阻抗表明,使用LiODFB基电解液的锂离子电池仅具有稍微增加的界面阻抗.因此LiODFB是一种非常有希望替代LiPF6用作锂离子电池的新盐.