【用戶成果賞析】 深圳清華應用TOF-SIMS研究鋰金屬電池電解質中溶劑化機制

鋰離子電池（LIBs）在歷經幾十年的快速發展后，其能量密度已接近理論極限（300 Wh kg-1），這促使了鋰（Li）金屬化學的復興。實際上，由于鋰金屬電池（LMBs）存在脆弱的固體電解質界面（SEI）和脫溶時效等因素，導致枝晶生長和與集流體分離的非活性Li（也稱為“死鋰"）的形成，使LMB的實際應用一直停滯不前。

電解質直接影響界面處鋰離子（Li+）的SEI化學和脫溶動力學。通常，會通過增加鹽/配位溶劑的比例，即高濃度電解質（HCE）和局部高濃度電解質的策略來生成富含無機物的SEI以用于快速穩定的Li+傳輸，從而改善LMBs的電化學性能。然而，高成本和復雜的制備工藝使這一方案仍處于起步階段。近期，弱溶劑化電解質（WSE）被認為是調節溶劑化鞘層的一種經濟有效的方法。溶劑分子與Li+離子的配位模式可能對Li+離子在溶劑中的配位具有重要意義，然而目前受到關注很少。

近日，清華大學李寶華教授聯合昆明理工大學王賢樹特聘教授等人提出了一種基于Li+和溶劑的雙/三齒螯合來調節溶劑化結構的電解質設計策略，并結合DFT計算、FTIR、LSV、SEM、TEM、X-ray CT、TOF-SIMS（PHI Nano TOF II）、XPS（PHI VersaProbe 4）等技術驗證了這一新策略的有效性。即新開發的雙(2-甲氧基乙氧基)甲烷溶劑具有多個氧配體點位，可以使更多的陰離子進入Li+溶劑化鞘層，從而提高界面的化學穩定和促進快速脫溶。此外，該電解質與高負載正極和鋰金屬負極還具有良好的相容性以及較寬的溫度適應性。這種對電解質工程的全新見解為實用的高性能鋰金屬電池提供了指導。該項研究以題為“Unique Tridentate Coordination Tailored Solvation Sheath Towards Highly Stable Lithium Metal Batteries"發表于國際期刊《Advanced Materials》。

圖1. 鋰金屬負極的界面化學。（a-d）C2H-和LiF2-的TOF-SIMS 3D重建圖，展示了分別從具有（a，c）LiFSI-DME和（b，d）LiFSI-BME電解質的循環Li|| Li電池中回收的Li負極的SEI結構和化學性質。（e，f）通過TOF-SIMS測量的C2H-和LiF2-相應的深度曲線。在（g，i）LiFSI-DME和（h，j）LiFSI-BME電解質中在Li金屬負極上形成的SEI層的（g，h）C1s和（i，j）F1s XPS深剖結果。（k，i）在（k）LiFSI-DME和（i）LiFSI-BME電解質中的Li沉積行為和SEI形成的示意圖。

為了分析與不同Li+溶劑化鞘相關的SEI層的化學成分分布和微觀結構，對循環50次后從Li||Li電池上拆下的Li箔進行了TOF-SIMS表征（見圖1a~f）。結果表明SEI主要由碳酸鹽分解產生的有機物組成，此外，大量的LiFSI參與了負極|電解質界面的形成。為進一步驗證這一推斷，該項工作中還做了詳盡的XPS分析（見圖1g~j）。在LiFSI-DME電解質中，形成的SEI主要由有機物種和少量無機物種組成。而在LiFSI-BME電解質中形成的SEI中檢測到更多的無機成分（LiF和Li2CO3），以及更薄的有機外層。通過TOF-SIM結合XPS，成功構建了在LiFSI-DME（見圖1k）和（LiFSI-BME（見圖1i）電解質中的Li沉積行為和SEI形成的示意圖，有助于解析鋰負極界面的形成過程。

參考文獻

[1] Wu, J., Gao, Z., Tian, Y., Zhao, Y., Lin, Y., Wang, K., Guo, H., Pan, Y., Wang, X., Kang, F., Tavajohi, N., Fan, X. and Li, B. (2023), Unique Tridentate Coordination Tailored Solvation Sheath Towards Highly Stable Lithium Metal Batteries. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2303347. DOI: 10.1002/adma.202303347.

來源：phi公眾號