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苏州纳米所蔺洪振研究团队在原位构建功能CEI层促进高容量锂离子电池方面取得研究进展

  长续航电动汽车与便携式智能设备快速发展对可充电二次电池的能量密度提出了更高的要求目前商业锂离子电池正极材料能量密度有限,严重限制了其进一步发展。金属硫化物具有较高的理论比容量890mA h g-1),可以显著提高电池的能量密度。然而,金属硫化物作为电极材料时存在多硫化锂“穿梭”的问题,这会降低电极的容量库伦效率并缩短电池寿命,严重阻碍了金属硫化物电极的商业化进程中科院苏州纳米所蔺洪振团队在前期研究中发现,构筑有序结构的SEI人工层能够有效抑制枝晶的生长(Adv. Funct. Mater. 2022, 31, 2110468; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434; ACS Appl. Mater. Interface 2019, 11, 30500),通过调控锂离子的动力学行为及加快多硫化物的转化,能获得长的循环寿命(Chem. Eng. J. 2021, 132352; Nano Lett. 2021, 21, 3245; Energy Environ. Mater.2021,0,1; Chem. Eng. J. 2020, 128172; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy Storage Mater. 2020, 28, 375; ChemSusChem 2020, 13, 3404; Chem. Eng. J. 2020, 417, 2007434; Nano Energy 2017, 40, 390; J. Power Sources 2016, 321, 193 

  针对金属硫化物电极多硫化物“穿梭效应”的问题中科院苏州纳米所王健博士(现为德国亥姆赫兹电化学研究所洪堡学者)与蔺洪振研究员联合西安理工大学张静博士从表界面功能化角度出发,在金属硫化物电极表面原位构建了一层均匀致密LiF-Li3N的功能正极界面CEI层,选用界面选择性和频光谱SFG)、飞行式二次离子质谱(TOF-SIMS)、X射线光谱(XPS原子力显微镜AFM)等多手段联合研究了功能性CEI演变过程其相关作用机制。 

  如图1所示,LiTFSI盐会在金属硫化物电极表面形成不连续的无效CEI而将高反应活性LiFSI盐添加到LiTFSI-DME电解液体系LiFSI会与LiTFSI竞争后均匀地吸附在电极表面,并在后续电化学过程中生成一层均匀致密且富含LiF-Li3N的功能CEI,该CEI可以有效抑制多硫化穿梭效应”并加快锂离子的扩散速率 

  三维氮掺杂纳米碳包覆的二硫化亚铁FeS2@3DNPC)合成流程2所示。XRDXPS结果明此复合材料为较纯Pyrite相的FeS2。从扫描电子显微镜图可以看出FeS2纳米颗粒成功均匀地嵌入三维纳米碳骨架中,FeS2构建了良好的导电网络 

  1 金属硫化物电极表面富含LiF-Li3N功能CEI界面层演变过程作用机理 

  通过将不同摩尔浓度的高活性LiFSI离子液体添加LiTFSI-DME电解液中,探究LiFSI离子体含量对改性CEI的影响。电池的首次循环伏安曲线可以看出,添加LiFSI的金属硫化物电极表形成了功能化的CEI层。阻抗结合循环伏安曲线表明,添加1.0 M LiFSI FeS2@3DNPC电极表面形成稳定的功能CEI有效抑制多硫化锂的穿梭效应”获得较高的电化学可逆性。 

  2 FeS2@3DNPC电极材料的结构与形貌表征 

  通过SFGAFMSEM XPS表征结果揭示功能CEI层的存在方式,即均匀分布金属硫化物电极表面且柔韧性好,其主要成分LiFLi3N(图4)。其中,SFG的研究发现了FSI-TFSI- 在电极界面存在竞争吸附关系。为了更加准确获取功能CEI层的界面结构信息,研究团队借助TOF-SIMS重构了功能CEI成分与3D结构(图5TOF-SIMS重构功能CEI层成分均匀且致密同时,在CEI层的作用下,循环后的FeS2仍保持了完整的颗粒形貌,充分证明CEI层可以抑制多硫化物穿梭,提升电极的可逆性,这SEM mapping2D表征结果相吻合 

  3富含LiF-Li3N功能CEI层的电化学活化稳定性 

  4 富含LiF-Li3N功能CEI的界面光谱特性 

  5 富含LiF-Li3N功能CEI层三维重构     

  添加1M LiFSI的电池在容量、库伦效率及容量保持率方面,高于其他添加量和空白样品,并且优于绝大多数文献报道的结果(图6)。得益于均匀致密且柔韧性好的功能CEI层,即使超高功率密度(6700W kg-1)下电池仍获得较高的能量密度(769W h kg-1),稳定循环1000次后每圈衰减率低至0.039%研究团队还将此方法成功应用于其他硫化物电极,表明原位构建功能CEI的策略可以助力金属硫化物电极实现快速充电及循环寿命 

  6 FeS2@3DNPC电极的电化学性能测试 

  以上研究成果的第一作者为王健博士、程双,通讯作者为王健、张静、蔺洪振研究员,以Robust Interfacial Engineering Construction to Alleviate Polysulfide Shuttling in Metal Sulfide Electrodes for Achieving Fast-charge High-capacity Lithium Storages为题,发表在Chemical Engineering Journal期刊。以上工作受到了江苏省自然科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金等基金项目支持。 

论文链接


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