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粒子中心联合培养研究生在Nature Nanotechnology上发表研究论文
2020-03-23 15:07:56 作者: 来源: 浏览次数:

粒子科学技术研究中心王雪林教授与美国西北太平洋国家实验室朱梓华研究员研究团队联合培养的研究生周育范、于晓飞等使用二次离子质谱(SIMS)实验手段结合分子动力学模拟方法对锂离子电池SEI层的形成与物理化学性质进行了研究,相关研究成果以“Real-time mass spectrometric characterization of the solid-electrolyte interphase of a lithium-ion battery”为题发表在Nature Nanotechnology(IF=33.407)上,周育范和于晓飞分别为第一和第三作者。(Nat. Nanotechnol., 15, 224-230(2020))

锂离子电池早已进入人们生活的方方面面,怎样设计出更加安全、高性能的锂电池是大家十分关心的问题。在锂离子电池充放电过程中,电极材料与电解质溶液在固液界面上会发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层,称为固体-电解液界面(SEI,solid electrolyte interface)层。研究人员发现SEI层决定了大多数电池的性能,但人们对于SEI层的结构和性质的了解还非常有限。

该研究基于液相二次离子质谱表征技术(liquid-SIMS),并结合了分子动力学模拟,提供了锂离子电池SEI形成的动态过程。作者发现,在界面间发生化学反应之前(在初始充电期间),由于溶剂分子的自组装,在电极/电解质界面形成了由Li+和电极表面电势控制的双电层,结构也影响着最终SEI的组成。同时,带负电的电极表面从内层排斥开阴离子,产生薄且致密的无机内SEI层,能够负责传导Li+和绝缘电子,随之出现可渗透电解液且富含有机物的外SEI层。在高浓度区域富含氟化物的电解质中,由于双层中存在阴离子,内部SEI层的LiF浓度升高。这些实时的纳米级观测能为将来电池设计更好的SEI提供帮助。该项研究解决了长期困扰人们的SEI层特性的问题,并将对未来的电池设计起到重要的指导作用。

相关链接:Real-time mass spectrometric characterization of the solid-electrolyte interphase of a lithium-ion battery