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清华大学提出固体电解质界面膜的成核和生长机制

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58京牌 电池能够充电和再充电,显然归功于电极材料和电解液之间的相互作用。然而,对于实现理想的电池性能,固体电解质界面膜(SEI)扮演着重要角色。,材料科学家从原子层面探讨该层的成核和生长机制,并发现需要很好地平衡阴离子和溶剂分子的性质。

(图片来源:phys.org)

在锂离子电池中,当施加电势时,SEI在第一次充电过程开始时形成。电解液中的元素沉积在石墨电极上,所形成的涂层很快会覆盖整个电极。只有在该层完成后,带正电荷的锂离子才能在不剥落电极材料的情况下嵌入电极。

清华大学的张强教授及其同事具体研究SEI的成核和生长。锂离子电池的电解液含有锂盐和溶剂,强溶剂化溶剂包裹着锂离子,同时阴离子自由浮动。相反,弱溶剂化电解质可以使阴离子更紧密地附着在锂离子上。在这里,阴离子仍然是内部溶剂化壳层的一部分。

必须将这一内部溶剂化壳层从锂上剥离,才能形成和生长SEI。研究人员证明,该内壳的阴离子首先吸附在新电极上,然后在电化学反应中占据两个电子。后一事件引起SEI分解和成核。研究人员认为,SEI的形成主要取决于,与溶剂相比,阴离子捕获电子并分解的难易程度。

科学家们利用电化学技术和原子力显微镜研究晶体的生长,直到完成该层为止。他们发现,只有在低过电势下才会形成光滑层。溶剂对过电势也有影响。另外,与结晶层有很高亲和力的溶剂根本不会产生过电势。

研究人员表示,未来的高性能电极设计应更加关注锂盐负离子和溶剂之间的相互作用。为了形成均匀的无机结晶SEI,阴离子应优于溶剂,更容易吸附至电极表面,并进行电化学反应。此外,分解产物应该是固体且具有不溶性,但仍对溶剂表现出一定的亲和力。

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