寧波材料所揭示鋰離子電池循環(huán)穩(wěn)定性機(jī)理

  如何在現(xiàn)有鋰離子電池可用電極材料體系的前提下，提高鋰離子電池性能特別是其循環(huán)穩(wěn)定性，是目前全世界研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

　　固體電解質(zhì)界面膜，即SEI(Solid Electrolyte Interface)膜是在液態(tài)電解液鋰離子電池首次（或前幾次）充放電過程中，電極材料與電解液在固液界面上發(fā)生反應(yīng)，形成一層具有保護(hù)功能、覆蓋于電極材料(尤其是負(fù)極)表面的具有固體電解質(zhì)特征的鈍化界面層。雖然不同電解液能夠在很大程度上影響電池的性能，但是其內(nèi)在機(jī)理即不同電解液所形成的SEI膜結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成與電池的關(guān)系長(zhǎng)久以來由于缺乏有效研究手段而被忽視。

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬新能源所博士沈彩及其研究團(tuán)隊(duì)最近通過利用原位電化學(xué)原子力顯微鏡實(shí)時(shí)研究了以碳酸乙烯酯(EC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)為基礎(chǔ)電解液的SEI膜的生長(zhǎng)過程，發(fā)現(xiàn)這兩種電解液所形成的SEI膜在成膜電位、致密性、穩(wěn)定性和厚度上區(qū)別顯著，結(jié)合XPS光譜分析，研究者發(fā)現(xiàn)FEC電解液所形成的SEI膜中含有較多的LiF無機(jī)鹽，由于LiF具有較好的硬度和穩(wěn)定性，結(jié)合其SEI膜的致密性由此解釋了FEC電解液成膜穩(wěn)定性的機(jī)理。該研究結(jié)果發(fā)表在美國化學(xué)會(huì)期刊ACS Applied Materials & Interfaces上(2015, 7, 25441—25447)。

　　電化學(xué)原子力顯微鏡結(jié)合光譜技術(shù)，有望成為鋰離子電池電解液和添加劑成膜機(jī)制的有力表征手段，加快各種電解液和添加劑的優(yōu)化篩選過程。

　　上述工作得到了國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。

　　Figure 1. In situ AFM images of HOPG electrode cycled at a scanning rate of 5 mV/s between 3.0 and 0.0 V in the 1 mol/L LiPF₆/FEC/DMC.

　　Figure 2. A proposed model for the SEI layers formed from (a) LiPF₆/EC/DMC electrolyte and (b) LiPF₆/FEC/DMC electrolyte.