实现高性能LiNCM811固态电池正负极界面保护

　　云南大学郭洪教授、加拿大西安大略大学孙学良院士最新Materials Today研究论文：调控SEI/CEI双膜成分实现高性能Li||NCM811固态电池正负极界面保护
　　文章信息
　　高适应性SEI/CEI界面保护层助力实现性能优异的高镍固态电池
　　第一作者：刘清
　　通讯作者：郭洪*，孙学良*
　　单位：云南大学，加拿大西安大略大学
　　研究背景
　　固态锂金属电池因其独特的高安全性及高能量密度优势而受到广泛关注。然而，其界面复杂的科学问题一直是高稳定固态电池研究的难点。设计开发双界面协同调控策略，解决界面稳定性问题，揭示双界面改性保护机制，对进一步改善固态电解质与电极材料的兼容性以及提升固态电池的储能性能具有重要意义。
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　　文章简介
　　基于此， 云南大学郭洪教授与加拿大西安大略大学孙学良院士 合作，在国际知名期刊  Materials Today  上发表题为 ＂Highly adaptable SEI/CEI interfacial layers enabling remarkable performance of high-nickel solid-state batteries＂ 的研究论文。
　　该研究提出了一种针对高镍固态锂电池的SEI/CEI双界面协同保护策略。通过原位聚合合成一种DOL基多功能凝胶电解质GPE并进行电化学测试。充放电过程中，在化学诱导作用下自发于高镍正极侧构筑抗氧化性强的CEI保护层并在锂负极侧构建机械性能好、离子电导率高的SEI保护层。同时，协同调控双界面锂离子均匀扩散与电荷转移的动态平衡，有效抑制电化学副反应、负极锂枝晶生长及高镍正极材料开裂，解决高镍固态锂金属电池接触失效及电化学兼容性差的科学问题，从而实现更高的倍率性能及长循环寿命。此外，全面分析并揭示了CEI和SEI的关键作用，为双界面保护层的形成机制和保护机制提供独特的理解，对高镍固态电池的进一步发展和实际应用具有一定的指导意义。
　　SCHEME 1 the schematic illustration of design strategy of dual-interfaces protection layers.
　　本文要点
　　要点一：化学诱导形成SEI/CEI双界面保护层
　　负极侧，通过LiBF4的辅助成功构建了独特的双层SEI，内层由有机物质为主，而外层由 LiBFx/LixBFy、LiF等组成并随着深度刻蚀呈现出LiF含量梯度逐渐增强；正极侧，通过异丙醇铝（AIP）所具有的强大的亲核RO-可以在Al3+的配合下诱导电解质中碳酸乙烯酯（EC）配位聚合，从而成功实现均匀且薄的有机-无机CEI的形成。
　　FIGURE 1  (a) Critical current density of Li|GPE|Li cell. (b) Galvanostatic cycling profile of Li|GPE|Li, and Li|LE|Li in 0.5 mA cm-2. The inset is the enlarged view of 750-810 h. (c) Nyquist plots before cycling. (d) Rate capability. Cross-sectional SEM images of the (e) anode interface and (f) cathode interface of NCM-AIP-5|GPE|Li after 100 cycles. XPS spectra of (g-i) C1s, B1s, and F1s peaks and (j-l) C1s, O1s, and F1s peaks.
　　要点二：双界面保护助力提升电化学性能
　　电化学测试表明对称电池在0.5mA cm-2电流密度下，SEI的形成能使其稳定循环2500 h（图1）。CEI/SEI双界面保护层的形成使得最佳AIP添加量的高镍半电池表现出优异的倍率性能和循环稳定性（图2），即1C条件下，首次放电比容量可达182 mAh g-1，循环300圈仍具有88.6%的保持率。该性能与已报道的CEI/SEI界面保护改性体系相比处于领先地位。
　　FIGURE 2  (a-d) The AFM images of the batteries after 100 cycles. Typical charge/discharge profiles of (e) NCM|LE|Li, (f) NCM|GPE|Li, and (g) NCM-AIP-5|GPE|Li. (h) Long-term cycling behavior of NCM|LE|Li, NCM|GPE|Li, and NCM-AIP-5|GPE|Li at 1 C. (i) Performance comparison regarding the specific capacity and capacity retention rate.
　　要点三：原位测试揭示界面动力学
　　为了更好地了解电池局部化学结构的动态变化和Li+迁移机制，在电化学过程中采用多种原位表征技术(拉曼、红外光谱和光学显微镜)。通过原位拉曼研究了Li+在凝胶电解质中可逆的迁移机制。采用原位红外揭示了Li+脱嵌过程中与正极侧动态保护层组分的相互作用规律。此外，利用原位光学显微镜直观地证明了SEI层有助于实现锂负极表面的无锂枝晶生长。
　　FIGURE 3  (a) Schematic of in-situ FT-IR spectro-electrochemical cell. (b) FT-IR spectral and (c) Contour maps of the electrode/electrolyte interface at different discharge and charge steps. (d) Schematic of In-situ Raman cell. (e) Raman spectral and (f) the corresponding contour maps. Optical microscopy observation of the Li plating in (g) Li|LE|Li and (h) Li|GPE|Li.
　　要点四：SEI/CEI层的形成及保护机制
　　通过密度泛函理论（DFT）计算分析了电解质中各组分的氧化和还原能力。其中在负极侧LiTFSI和LiBF4具有较低 LUMO能级，将优先还原成SEI中内层LiBFx/LixBFy和LiF成分，而具有较高 LUMO能级的EC 和 DME则为SEI中外层提供有机成分。在正极侧AIP诱导剂则与具有较高HOMO能级的EC反应为CEI层提供无机组分(Al2O3和AlF3)。此外，计算了电解质中的各个组分对Li和AIP的吸附能，进一步揭示诱导形成双界面保护层的保护机制。
　　FIGURE 4  (a) LUMO and HOMO levels of different molecules (b) Adsorption energy of Li and AIP with different molecules. (c) Schematic illustration of the formation and protection mechanism of SEI/CEI layers.
　　文章链接
　　Highly adaptable SEI/CEI interfacial layers enabling remarkable performance of highnickel solid-state batteries
　　https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.02.011.
　　通讯作者简介
　　郭洪教授简介： 云南大学教授，博士生导师，国际科学组织Vebleo协会Fellow，全球学者库 ＂全球顶尖科学家＂，云南省学术带头人，云南大学东陆学者，中国硅酸盐学会固态离子学分会理事（CSSI），国际能源与电化学科学研究院(IAOEES)理事,国际电化学会（ISE）会员，国家科技专家库在库专家。主持完成国家自然科学基金面上项目、973计划课题项目、云南省重点、教育部重点项目等20余项省部级及以上课题。主要从事电化学储能及环境催化研究。以第一作者及通讯作者在 Adv. Mater., ACS Energy Lett., Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy., Appl. Catal. B-Environ.等 学术期刊发表论文100余篇，引用超过6000次，申请及授权30余项中国发明专利。
　　孙学良教授简介： 加拿大西安大略大学材料工程学院教授，加拿大皇家学科学院院士和加拿大工程院院士、中国工程院外籍院士、国际能源科学院常任副主席、加拿大纳米能源材料领域首席科学家。孙教授目前重点从事锂离子电池、固态锂离子电池和燃料电池的研究和应用。孙学良教授已发表超过620篇SCI论文，其中包括 Nat. Energy, Sci. Adv., Nat. Commun., Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Adv. Mater.等 学术期刊。孙教授拥有十项美国专利。
　　第一作者简介
　　刘清， 云南大学材料科学与工程专业博士研究生，目前研究方向为固态电池的关键材料与关键技术研究。