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北理工课题组在锂金属负极界面演化领域发表研究成果


近日,js06金沙所有网址js前沿交叉院黄佳琦教授课题组在定量研究实用工况下锂金属负极动态腐蚀规律方面取得了重要进展。该研究成果以《Dynamic galvanic corrosion of working lithium metal anode under practical conditions》为题在线发表在材料类顶级国际期刊《Advanced Energy Materials》(《先进能源材料》,影响因子29.698)。本文的通讯作者为js06金沙所有网址js前沿交叉院黄佳琦教授,第一作者为js06金沙所有网址js材料学院/前沿交叉院博士研究生丁俊凡。

金属锂具有极高的理论比容量(3860 mAh g?1)和最负的电化学电位(?3.040 V vs. the standard hydrogen electrode),对于实现高比能电池具有至关重要的意义。然而,金属锂负极的实际应用一直受到其电化学性能的严重限制,这在很大程度上源于其对腐蚀的高度敏感性。由于金属锂的高反应活性,腐蚀副反应在表界面处不断发生并导致严重的容量衰减,然而领域内目前对金属锂界面腐蚀规律认知仍相当匮乏。

js06金沙所有网址js前沿交叉院黄佳琦教授团队在最新的研究工作中揭示了实用工作条件下金属锂负极动态电偶腐蚀机制,即在动态脱锂过程中,锂金属中的电子转移至渐进暴露的新鲜铜表面继而还原电解液组分,产生扩展的固态电解质膜(SEI)并消耗活性锂容量。此副反应在低脱锂速率下更为显著。通过耦合的先进表征技术,进一步阐明了动态脱锂总步长、腐蚀电流衰减速率和SEI化学是影响动态电偶腐蚀程度的三个关键因素。

图1 不同脱锂电流密度下的电化学性能和非活性锂损失定量表征

在传统的认知之上,本研究的结果表明由于在实际的大容量工况和高库伦效率(CE)电解液体系中,金属锂沉积层较致密,循环过程中腐蚀行为主要通过动态电偶腐蚀机制发生,而非常规认知的静态过程。电化学测试、滴定气相色谱和扫描电子显微镜结果表明在较低的脱锂电流密度下,腐蚀副反应加剧,导致SEI Li+容量的提升以及CE的降低。

图2 不同脱锂电流密度下动态腐蚀电流测试

基于以上认识,该研究团队提出一种改进方案来定量测试此渐进腐蚀过程。通过系统的动态腐蚀电流测量,阐明了动态脱锂总步长、腐蚀电流衰减速率和SEI化学是调节动态电偶腐蚀程度的三个关键因素。低脱锂速率下,延长的动态脱锂总时间、缓慢的腐蚀电流衰减速率和有机多孔SEI共同导致动态腐蚀副反应的加剧。

图3 不同脱锂条件下实用锂金属负极动态电偶腐蚀路径示意图

该工作阐明了实用工况下金属锂动态腐蚀反应的真实途径和内在影响因素,为减少腐蚀反应的发生、设计下一代高能量密度电池的高可逆性锂负极提供了依据。

论文详情:

Dynamic Galvanic Corrosion of Working Lithium Metal Anode Under Practical Conditions

Jun-Fan Ding, Rui Xu, Ye Xiao, Shuo Zhang, Ting-Lu Song, Chong Yan, Jia-Qi Huang*

论文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202204305


附作者简介:

黄佳琦,js06金沙所有网址js前沿交叉科学研究院教授,博士生导师,九三学社社员。主要开展高比能电池能源化学研究。发表SCI论文200余篇,其中70余篇为ESI高被引论文,H因子101。担任中国颗粒学会理事,中国化学会能源化学专委会委员,J. Energy Chem., InfoMat, Chin. Chem. Lett., Energy Mater. Adv.等刊编委。曾获评2022中国青年科技奖特别奖,2022中国颗粒学会自然科学一等奖,2018年中国颗粒学会青年颗粒学奖,2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖等。2018-2022年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。



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