首次从锂剥离视角看SEI膜破坏！过程所最新AEM：加点磁场就能稳定SEI

01背景介绍

锂二次电池放电过程中固体电解质界面（SEI）膜的破坏会降低能量密度。稳定SEI膜对于阻止锂基电池枝晶生长具有重要意义。但是现有的研究却忽视了SEI，使得SEI的破坏机理尚不明确，也缺乏有效的手段来保护SEI膜。

02正文部分

PART01成果简介

近日中科院过程所的韩永生研究员团队首次提出了SEI膜的扩散限制损伤机理。SEI膜的不均匀性导致锂离子扩散具有区域依赖动力学。较厚SEI的滑移线和缺陷具有比光滑表面更慢的锂离子传导。不均匀的剥离过程会在滑移线与光滑表面的边界形成裂纹，这会进一步使SEI坍塌和严重破坏。基于以上假设，作者在电极外部施加平行磁场来增强SEI局域锂离子扩散。电化学表征和稳定性测试都证实了外加磁场可以有效增强锂离子扩散和抑制SEI破坏。相关研究成果近日发表在《AdvancedEnergy Materials》上。

PART02研究亮点

1）首次提出了SEI膜的扩散限制损伤机理。SEI膜的不均匀性导致锂离子扩散具有区域依赖动力学。较厚SEI的滑移线和缺陷具有比光滑表面更慢的锂离子传导。不均匀的剥离过程会在滑移线与光滑表面的边界形成裂纹，进一步严重破坏SEI。

2）在电极外部施加平行磁场来增强SEI局域的锂离子扩散。

PART03图文导读

【图一】扩散限制SEI破坏机理，通过在剥离过程加磁场促进锂离子扩散来稳定SEI。（a）区域依赖扩散导致不均匀剥离和SEI破裂。（b）外加磁场促进锂离子层内扩散阻止SEI破坏。（c-g）SEI的聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）照片。（d，f）没有磁场。（e，g）引入磁场导致均匀剥离，保护SEI不发生大量破裂。

图一a，b显示二次电池SEI的扩散限制破坏机理。较厚SEI的滑移线和缺陷具有比光滑表面更慢的锂离子传导。不均匀的剥离过程会在滑移线与光滑表面的边界形成裂纹，这会进一步使SEI坍塌和严重破坏。当在正极和负极同时加入平行磁场后，局域磁流体动力（MHD）效应在滑移和缺陷处形成，磁场方向在电极突起处发生弯曲。产生的洛伦兹力加强了锂离子和SEI晶面原子的碰撞，从而促进SEI滑移线和缺陷的质量转移。图一c-g显示在剥离中，没有磁场时SEI发生大量破裂。引入磁场导致均匀剥离，保护SEI不发生大量破裂。

【图二】磁场加强扩散的电化学表征（a）不同磁感应强度的电化学阻抗谱（EIS）。（b）对应的SEI阻抗（R_in）。（c）不同磁感应强度下长循环后锂对称电池的过电位。（d）循环2圈后锂负极的坑面积比。（e）R_in与温度和磁感应强度的关系。（f）SEI的离子扩散活化能。

图二a，b显示当磁感应强度小于185mT时，R_in显示下降趋势。根据碰撞停止机理，说明洛伦兹力加强了锂离子和SEI内原子的碰撞，从而促进粒子穿过SEI。图二c显示不同磁感应强度下长循环后锂对称电池的过电位，说明均匀的锂沉积/剥离降低过电位。图二d循环2圈后锂负极的坑面积比显示随着磁感应强度的增加，锂剥离的坑出现下降。图2e和2f显示了不同温度下的EIS谱特征，磁场下的R_in比对照组小。

【图三】不同电流密度下循环2圈后锂负极SEI形貌。没有平行磁场下锂的剥离（a）0.1mA cm^-2。（b）0.5mA cm^-2。（c）2.0mA cm^-2。（d）5.0mA cm^-2。有平行磁场（185mT）锂的剥离（e）0.1mA cm^-2。（f）0.5mA cm^-2。（g）2.0mA cm^-2。（h）5.0mA cm^-2。（i）锂负极坑面积比。（j）循环过电位。

图三a-h显示了锂负极表面空洞和坑的生长。添加磁场后锂负极形貌更加平滑。图三i和j显示磁场可以减少坑和过电位。

【图四】采用1M六氟磷酸锂-1：1EC/DMC电解液的锂对称电池的电压-时间曲线（a）电流密度0.1mA cm^-2。（b）50圈的电压曲线。（c）电流密度0.5mA cm^-2。（d）50圈的电压曲线。（e）电流密度1.0mA cm^-2。（f）50圈的电压曲线。

图四a-f显示在不同电流密度下，有磁场可以降低极化，提高锂负极的循环可逆性。

【图五】长循环性能（a）Li|LCO全电池在1C充电和0.5C放电的循环性能。（b）电压曲线。（c）0.5mA cm^-2下的库伦效率。（d）对应60圈的电压曲线。

图五a和b显示磁场可以提高Li|LCO全电池的容量保持率。图五c和d显示磁场可以提高电池的库伦效率。

PART04总结和展望

1）首次提出了SEI膜的扩散限制损伤机理。SEI膜的不均匀性导致锂离子扩散具有区域依赖动力学。较厚SEI的滑移线和缺陷具有比光滑表面更慢的锂离子传导。不均匀的剥离过程会在滑移线与光滑表面的边界形成裂纹，进一步严重破坏SEI。

2）发现在电极外部施加平行磁场来增强SEI局域的锂离子扩散。该方法将为各种二次电池的扩散限制过程提供新的解决方案。

03参考文献

Y. Chen, H. Huang, L. Liu, Y.Chen, and Y. Han. (2021) Diffusion Enhancement to Stabilize SolidElectrolyte Interphase. Advanced Energy Materials, 2101774.

DOI: 10.1002/aenm.202101774

HISTORY/往期推荐

欢迎关注我们，订阅更多最新消息