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北京時間2023年7月5日，北京大學(xué)潘鋒＆楊盧奕團隊在Chem期刊上發(fā)表題為“In-situ probing the origin of interfacial instability of Na metal anode”的新研究。

作為一種理想的鈉離子電池負極材料，鈉金屬的實際應(yīng)用受制于其不穩(wěn)定的SEI：一方面鈉電電解液中SEI存在比鋰電更為嚴重的溶解現(xiàn)象，導(dǎo)致了持續(xù)的界面副反應(yīng)；另一方面SEI仍缺乏足夠的機械強度來抑制鈉枝晶的生長。同時，SEI的瞬間形成過程導(dǎo)致了其電化學(xué)生長機制難以解析，離位表征的測試結(jié)果不可避免與真實電池工況條件下的狀態(tài)存在偏差，盡管大量研究對SEI的化學(xué)成分與物理性質(zhì)進行了表征與分析，但對于SEI生長過程的直接觀測目前仍是一個棘手的挑戰(zhàn)。該工作通過對多種原位界面表征手段進行聯(lián)用，多維度聯(lián)合揭示了鈉金屬負極SEI的電化學(xué)生長過程，對影響SEI穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素進行了系統(tǒng)的研究。

該工作第一作者是冀昱辰和邱際民，通訊作者是潘鋒教授和楊盧奕副研究員。

通過原位三維共聚焦顯微鏡、電化學(xué)石英晶體天平、原位原子力顯微鏡、原位拉曼、電化學(xué)微分質(zhì)譜等原位分析手段，結(jié)合冷凍電鏡、飛行時間二次離子質(zhì)譜等離位分析手段，作者揭示了SEI的形成過程可以分為兩個階段：鈍化階段（階段一）與生長階段（階段二）。SEI的化學(xué)-機械不穩(wěn)定性的起因與SEI的電化學(xué)生長過程密切相關(guān)。在SEI生長的“鈍化階段”（～2.3 V到～1 V），可溶性有機物是SEI的主要成分，它們發(fā)生溶解導(dǎo)致鈉金屬表面不能被有效鈍化進而暴露在電解液中。當(dāng)電位低于1 V時，進入了SEI的“生長階段”，同時形成了大量的有機物與無機物。但由于高溶解度，有機物的反復(fù)形成和溶解導(dǎo)致了無機物與表面發(fā)生分離，致使SEI演化為有機/無機組分混雜在一起的均勻分布的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由于以有機物為主體導(dǎo)致了SEI具有較差的機械強度，而有機物的溶解也會導(dǎo)致內(nèi)嵌的無機組分失去支撐進而發(fā)生脫離，導(dǎo)致SEI整體都很難在電解液環(huán)境中穩(wěn)定存在。

通過加入電解液添加劑等方式在鈍化階段預(yù)構(gòu)建一層無機鈍化層，可以有效地增強SEI的穩(wěn)定性。鈉金屬表面被穩(wěn)定的無機鈍化層鈍化，隔絕其在電解液環(huán)境中的暴露。在隨后的生長階段，SEI在該鈍化層基礎(chǔ)上進一步演化，使無機組分繼續(xù)生長至更厚、更硬的無機組分層緊貼在鈉金屬表面，而有機分解產(chǎn)物只能生長在無機層的頂部。該結(jié)構(gòu)的SEI提供了更高的機械強度與化學(xué)穩(wěn)定性，更好地抵抗界面副反應(yīng)與枝晶生長。

通過研究鈉金屬負極SEI的形成過程與溶解模型，該研究工作揭示了SEI的組分、結(jié)構(gòu)與其穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)，為今后的相關(guān)電解液、界面優(yōu)化設(shè)計提供了新的思路。（來源：科學(xué)網(wǎng)）

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.06.002

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