寧波材料所在鋰枝晶機(jī)理研究方面取得進(jìn)展
鋰枝晶生長(zhǎng)是影響鋰離子電池安全性和穩(wěn)定性的根本問(wèn)題之一。鋰枝晶的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池在循環(huán)過(guò)程中電極和電解液界面的不穩(wěn)定，破壞生成的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，鋰枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)不斷消耗電解液并導(dǎo)致金屬鋰的不可逆沉積，形成死理造成低庫(kù)倫效率；鋰枝晶的形成甚至還會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短接，造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸。關(guān)于鋰枝晶的生長(zhǎng)機(jī)理目前在學(xué)術(shù)界還存在爭(zhēng)論。由于鋰離子電池怕水怕氧，目前，常用的表征SEI的技術(shù)手段非常有限。利用各種電鏡技術(shù)在納米尺度理解鋰枝晶生長(zhǎng)的演化過(guò)程對(duì)解決這一問(wèn)題至關(guān)重要。常規(guī)的透射電鏡由于高能粒子的照射，容易引起SEI及電極結(jié)構(gòu)的破壞；雖然低溫冷凍電鏡能夠解決這一問(wèn)題，但是由于使用條件的限制，在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法使用常溫電解液，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)原位觀察。此外，其昂貴的設(shè)備引進(jìn)費(fèi)用也制約了其推廣。
中科院寧波材料所沈彩副研究員在前期利用原位電化學(xué)原子力顯微鏡（EC-AFM）對(duì)鋰離子電池多種負(fù)極材料SEI膜成膜機(jī)理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，利用SEI膜成膜電位比金屬鋰沉積電位更正的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩步法研究鋰枝晶的實(shí)時(shí)原位觀察實(shí)驗(yàn)。研究者可通過(guò)利用EC-AFM實(shí)時(shí)研究以碳酸乙烯酯（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(guò)程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行原位鋰枝晶的生長(zhǎng)觀察，通過(guò)對(duì)這兩種電解液所形成的SEI膜的楊氏模量、CV圖譜及EIS阻抗譜分析，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(wú)機(jī)鹽，由于LiF具有較好的硬度和穩(wěn)定性，使得SEI膜具有較高強(qiáng)度，能夠有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。該研究結(jié)果發(fā)表在Small Methods上（2017, 1700298，DOI:10.1002/smtd.201700298）。
電化學(xué)原子力顯微鏡結(jié)合光譜技術(shù)，有望成為鋰枝晶生長(zhǎng)機(jī)制研究的有力表征手段，通過(guò)對(duì)各種電解液和添加劑的優(yōu)化篩選、形成對(duì)金屬鋰負(fù)極能夠有效保護(hù)的SEI膜或涂層修飾結(jié)構(gòu)，提升金屬鋰負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。
上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院先導(dǎo)計(jì)劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。
圖1 (a)EC-AFM實(shí)驗(yàn)電化學(xué)池結(jié)構(gòu)圖；(b)EC和FEC兩種電極液所形成的SEI膜的彈性模量；
(c)金屬鋰在EC和FEC兩種電極液所形成的SEI膜的沉積過(guò)程；(d)鋰沉積機(jī)理示意圖
（新能源所 胡國(guó)宏）