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电解质|中科院化学研究所Nano Energy: 原位AFM揭示金属锂表面SEI演化及LiNO3添加剂调控机制


北京联盟_本文原题：中科院化学研究所Nano Energy: 原位AFM揭示金属锂表面SEI演化及LiNO3添加剂调控机制
锂金属由其高容量 ， 低氧化还原电位等优势备受关注 。 固体电解质相界面膜(SEI)的形成使界面问题复杂化 。 自然形成的SEI形态、成分不均, 影响界面处Li + 传输和分布 ， 造成Li + 通量不均及局部电流密度过大 ， 进而导致不均匀锂沉积 。 1990年代初 ， Aurbach等人通过原位原子力显微镜(AFM)实现了液态环境中锂金属界面可视化 ， 获得了对SEI和锂表面形态的初期认识 。 近年来 ， 尽管多种先进表征技术的发展使领域对SEI的认识逐渐清晰 ， 更多关键问题仍然需要被进一步阐明 ， 包括SEI组分、形貌及其动态演变 ， 关键特征 ， 以及与电解质成分定量关系等 。 目前 ， 原位AFM已广泛应用于多种锂离子电池电极/电解质界面膜表征 ， 相应地 ， 仍需对锂金属电池SEI进行深入系统研究 。
【成果简介】
近日 ，中科院化学研究所万立骏院士和 文锐研究员（共同通讯作者）通过原位AFM研究了锂/电解质界面的形貌演变 ， 包括SEI在开路电压(OCP)时的初期形成 ， 以及后续锂沉积/溶解后的动态变化 。 研究表明 ， SEI结构及形貌演变对电解质成分存在较大依赖性 。 1.0 wt％LiNO 3 电解质体系中 ， SEI为由疏松纳米颗粒(NPs)修饰的无定形薄膜 ， 该种松散不均的结构致使锂枝晶形核 。 循环过程中 ， 枝晶增长对SEI施压 ， 研究发现了枝晶顶端SEI的延展及起皱现象；将LiNO 3 增加至5.0 wt％ ， SEI的形成过程自NPs逐渐膨胀转变至聚集团簇再分布模式 ， 最终呈现为致密均匀的薄膜-NPs双层结构 ， 从而确保了界面稳定性 ， 提升循环中的电化学性能 。 通过逐步提升LiNO 3 含量(1.0-7.5wt％) ， SEI纳米级形态特征及演变模式均发生相应改变 ， 表现了SEI-电解质组分密切相关性 。 本研究使用原位AFM ， 揭示了电解质定量调控的SEI纳米级形貌、理化性质和动态演变 ， 实现锂金属负极SEI的界面可视化 ， 也可供相关电池及电解质体系借鉴参考 。 研究成果以“ Tunable Structure and Dynamics of Solid Electrolyte Interphase at Lithium Metal Anode”为题发表在 Nano Energy上 。
【图文导读】
图一SEI锂负极表面形成及在枝晶顶端演变的原位AFM表征
电解质|中科院化学研究所Nano Energy: 原位AFM揭示金属锂表面SEI演化及LiNO3添加剂调控机制
本文插图

（a）电压-时间曲线；
（b-d）OCP下SEI松散NPs膨胀；
（e-f）锂溶解：1.0 wt％LiNO 3 中界面收缩；
（g-l）锂沉积：1.0 wt％LiNO 3 中枝晶形核；
（j-1）SEI枝晶顶端延伸生长及起皱 。
图二 5.0 wt％LiNO 3 体系双层SEI形成及演化的原位AFM表征 。
电解质|中科院化学研究所Nano Energy: 原位AFM揭示金属锂表面SEI演化及LiNO3添加剂调控机制
本文插图

（a-e）OCP下SEI聚集NPs再分布；
（d-e）薄膜-NPs双层结构SEI；
（f）图（e）相应DMT模量；
（g-i）5.0 wt％LiNO3 中锂溶解/沉积界面演变 。
图三 7.5 wt％LiNO 3 体系SEI形成及演化的原位AFM表征 。
电解质|中科院化学研究所Nano Energy: 原位AFM揭示金属锂表面SEI演化及LiNO3添加剂调控机制
本文插图

（a-c）OCP下SEI聚集NPs再分布；
（d-f）7.5 wt％LiNO 3 中锂溶解/沉积界面演变 。
图四双层SEI的化学成分表征 。
电解质|中科院化学研究所Nano Energy: 原位AFM揭示金属锂表面SEI演化及LiNO3添加剂调控机制
本文插图

（a-d）5.0 wt％LiNO 3 体系SEI成分表征；
（a-b）ToF-SIMS：表面Li分布及深度剖析；
（c-d）O 1s及Li 1s的XPS能谱；
（e）不同含量LiNO 3 电解质中SEI 的N 1s XPS能谱分析 。


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