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理論物理所在鋰離子電池固體-電解液界面層特性研究中取得進展

2020-02-07 理論物理研究所
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  鋰離子電池早已進入人們生活的方方面面,怎樣設計出更加安全、高性能的鋰電池是大家十分關心的問題。在鋰離子電池充放電過程中,電極材料與電解質溶液在固液界面上會發生反應,形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層,稱為固體電解液界面(SEI,solid electrolyte interface)層。研究人員發現SEI層決定了大多數電池的性能,但人們對于SEI層的結構和性質的了解還非常有限。

  中國科學院理論物理研究所研究員王延颋、博士研究生蘇茂與美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)朱梓華課題組合作,使用二次離子質譜(SIMS)實驗手段結合分子動力學模擬方法對SEI層的形成與物理化學性質進行了研究。相關結果發表于Nature Nanotechnology 雜志。

  鋰離子電池在首次充電時,在任何相界面化學發生之前,由于鋰離子和電極表面勢的作用,溶劑分子會在電極與電解液界面上迅速自組裝形成電雙層。這一電雙層的結構決定了電池的相界面化學性質。特別地,當電極充上負電荷時,其表面的電雙層結構會排空陰離子(如氟離子等),從而形成一層很薄的、稠密的、無機的SEI內層。這個稠密層的主要功能是傳導鋰離子而絕緣電子。SEI內層形成之后,會進一步形成富含有機分子、可以滲透到電解液當中的外層。研究發現SEI內層的主要成分為氧化鋰,否定了相界面上含有氟化鋰的傳統觀點。對某些種類的電池而言,由于氟離子在相界面上起著非常重要的作用,必須引入含氟的溶劑或者添加劑。

  該項研究解決了長期困擾人們的SEI層特性的問題。

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打印 責任編輯:葉瑞優

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