万立骏院士＆文锐研究员：类球状金属锂颗粒表面SEI壳层的原位演化过程

    中科院化学所万立骏院士、文锐研究员团队利用电化学原子力显微镜（EC-AFM）原位研究了负极/电解质界面的锂沉积/溶解过程，原位捕捉到纳米尺度上现场沉积的类球状金属锂颗粒表面SEI壳层在充放电循环中的动态演化过程，进一步揭示了该SEI壳层诱导的负极退化机制。

通常，在锂电池首次充放电过程中形成的一层覆盖于电极表面的钝化层，被称为固体电解质界面膜（SEI）。SEI膜的形态和性质对电池的电化学性能产生至关重要的影响。深入研究SEI膜的动态演化、化学组成、稳定性以及影响因素等一直都是电化学储能领域的研究难点。需要指出的是，在充电过程中，负极表面发生电化学沉积金属锂的情况下，现场沉积的金属锂表面同样会原位生长出SEI层，该SEI层能够直接影响金属锂的沉积形貌、生长行为以及电池的循环性能。

区别于电极表面形成的SEI膜，原位生长在金属锂沉积物表面的SEI层在充放电及循环过程中会伴随锂沉积和溶解的动态过程产生相应的持续性形态变化，该特性使得针对此类SEI层的原位探测和现场分析具有巨大的挑战性。因此，原位追踪此类SEI层的动态演化过程是明确其对负极/电解质界面以及电池性能影响的关键。环境型电化学原子力显微镜（EC-AFM）能够在工况条件下实现对锂电池电极/电解质界面的形貌演变、力学模量和电势/电流分布等性质的原位表征，为理解SEI层的原位动态演变提供了具有高空间分辨率的现场分析手段。

最近，中科院化学所的万立骏院士、文锐研究员等人利用环境型EC-AFM研究了负极/电解质界面的锂沉积/溶解行为，成功监测到在类球状金属锂颗粒表面原位生长的SEI壳层的动态演化过程（如图所示）。

原位研究发现，在首圈锂沉积过程中，类球状的金属锂颗粒在铜电极表面成核并进一步长大；在锂溶解过程中，伴随着金属锂的不断溶出，可直接观察到颗粒表面的SEI壳层发生明显的皱缩和塌陷。在随后的循环过程中，沉积的金属锂颗粒优先在无SEI壳层残留的位置成核并生长，体现了该SEI壳层对界面的钝化作用。在连续的锂沉积/溶解过程中，SEI壳层的反复生成和塌陷造成电解液的持续消耗；同时，在负极/电解质界面处不断积累的SEI壳层增大了界面电荷传输阻抗，最终导致电池性能的衰退。

该工作提供了原位生长在类球状金属锂颗粒表面的SEI壳层形态及其演化的直接可视化依据，揭示了该SEI壳层在充放电循环中诱导负极退化的界面过程，对金属锂电池中电极的设计优化和界面构筑具有重要的指导意义。论文第一作者为中科院化学所的施杨和刘桂贤，通讯作者为万立骏院士和文锐研究员。

详见：Shi Y, Liu GX, Wan J, Wen R, Wan LJ. In-situ nanoscale insights into the evolution of solid electrolyte interphase shells: revealing interfacial degradation in lithium metal batteries. Sci. China Chem., 2021, 64, https://doi.org/10.1007/s11426-020-9984-9.

扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】

Sci. China Chem. 2018-2020年电化学储能领域文章选集

郭新教授课题组：新颖集成界面设计策略实现超长循环寿命的固态锂金属电池

同济大学车用新能源研究院罗巍团队：可书写的金属锂墨水

张强教授、郭玉国研究员、万立骏院士|[综述]金属锂负极固态界面层设计

胡劲松/万立骏团队综述：过渡金属氮碳基燃料电池氧还原电催化剂

湖南大学王双印课题组：基于层间配体工程提升β-Ni(OH)2的电催化析氧活性

汪国雄和高敦峰课题组实现工业电流密度下的CO2电催化还原制备燃料和化学品

中科大季恒星课题组：基于高尔顿板模型的离子再分布促使金属锂均匀沉积

南京大学胡征/吴强综述：介观结构碳基纳米笼——先进的能源化学平台材料

Sci. China Chem. 【综述】| 南开大学陈军院士：高性能锂离子电池最新研究进展

德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华团队：三维多孔碳负载碳化钼助力温和条件氮还原

天津大学于一夫教授：缺电子钴高选择性电催化还原硝酸根合成氨

湖南大学王双印团队：异质结诱导富界面缺陷高效催化生物质电氧化

中山大学纪红兵团队：卟啉基氮掺杂多孔碳负载铁单原子高效氧还原电催化剂