北理工团队在锂离子电池硅负极研究领域取得重要进展

近日,火狐体育手机化学与化工学院曹敏花教授团队在锂离子电池硅负极研究领域取得重要进展,相关研究成果以“Transgenic Engineering on Silicon Surfaces Enables Robust Interface Chemistry”为题,在《ACS Energy Letters》期刊上在线发表(DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01202)。

在二次离子电池运行过程中,当电极在远离电解质热力学稳定极限的极端电势下工作时,电解质会发生分解并在负极表面形成固体电解质(SEI)膜,SEI膜的持续积累是降低电池性能的重要因素之一。因此,寻找一种有效且通用的调节策略来实现界面稳定的SEI 膜具有重大的科学意义,且是一个巨大的挑战。电极和电解质之间的界面化学在操控 SEI膜特性中起着至关重要的作用,调控活性成膜物质吸附在电极表面的内亥姆霍兹层(IHP),使其优先还原,从而可以有效调节初始SEI膜的化学成分和结构。然而,一些表面相对惰性的材料自身不能与目标成膜物种建立强相互作用,难以实现IHP内的特性吸附,因此如何操控电极的吸附特征对于快速构建稳定的SEI膜至关重要。

论文以高理论容量的硅负极为研究对象,为解决这一难题提供了一个新思路。理论计算表明,相对于硅,MoSe2的边缘结构对于氟代碳酸乙烯酯(FEC)具有更强的吸附作用,同时FEC在MoSe2表面更容易发生分解。基于此作者设计了核壳结构的Si@MoSe2,其中MoSe2带有丰富边缘结构。红外和拉曼研究表明,在首次放电过程中,电解液中的FEC分子可以在Si@MoSe2表面优先还原分解,这有利于构建FEC-derived SEI膜来稳定电极表面。电化学测试证实了Si@MoSe2表现出更高的库伦效率、更佳的循环稳定性和倍率性能、以及更快的离子传输动力学。论文进一步分析了SEI膜的组成、结构和机械强度等特征。原子力显微镜和透射电镜表明Si@MoSe2表面的SEI膜具有薄、强度高、分布均匀的特征。X射线光电子能谱和核磁证明了Si@MoSe2表面 SEI具有更多的Poly(VC)和LiF组分。该策略成功调控了硅负极表面SEI膜的组分和形貌等相关特性,使其表现出了高储锂性能。

图1 (a,b)Si@MoSe2的表征;(c,d,e)Si@MoSe2与Si电极的电化学性能;(f)首次放电中Si@MoSe2电极表面SEI的形成过程;(g-j)Si@MoSe2与Si电极表面SEI的表征。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c01202.


附作者简介:

曹敏花,火狐体育手机化学与化工学院教授,博士生导师,教育部新世纪优秀人才,洪堡学者。主要从事能源存储与转化材料的功能导向性设计及电化学机理研究。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Energy Letters, ACS Nano, Nano Energy, Chem. Mater., J. Mater. Chem. A等期刊上发表SCI论文100余篇。


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