夏永姚教授组：再次讨论实用条件下高能金属锂电池先进SEI膜的设计原则

【背景介绍】

实用条件下，高比能量金属锂电池需要同时满足高电压正极（如：NCM811），有限的负极正极比（N/P ratio）以及有限的电解液正极比（E/C ratio）。这就要求金属锂表面形成稳定的固体电解质膜（SEI）。醚类电解液中，当存在硝酸锂的情况下金属锂沉积的库伦效率可以高达98.5%。而酯类电解液中，金属锂沉积的效率仅有70%左右。这表明醚类电解液中所形成的SEI膜是优异且稳定的SEI膜，而酯类电解液中的SEI膜则不稳定容易破裂。因此，大多数金属锂沉积的研究都是在醚类电解液中进行的。但是，醚类电解液的电压窗口往往般都低于4V。因此，醚类电解液中所配的金属锂全电池都是对磷酸铁锂（LFP）或者钛酸锂（LTO）正极。而这样的金属锂全电池的能量密度甚至不如传统的锂离子电池。虽然有很多文献报道了SEI的设计，但是还存在一些问题需要进一步探究：为什么醚类中锂沉积库伦效率好而酯类差？优异的SEI膜有哪些特征？如何在酯类电解液中设计优异的SEI膜？

【成果介绍】

近日，复旦大学博士生袁守怡（第一作者）在夏永姚教授指导下，联合中科院物理研究所王雪峰教授，美国波士顿学院Junwei Lucas Bao教授，中科院宁波材料所沈彩教授在Nano energy上发表了题为 “Revisiting the Designing Criteria of Advanced Solid Electrolyte Interphase on Lithium Metal Anode under Practical Condition” 的研究论文。该论文利用冷冻电镜，深度X射线光电子能谱以及原子力显微镜等技术研究了醚类和酯类电解液中形成SEI膜的结构，成分以及力学性质特征。同时，理论计算表明相比于醚类溶剂，酯类溶剂分子更容易和金属锂反应，形成富含有机成分的SEI膜，该膜中无机成分分散在有机成分中，形成一种马赛克的结构，这样的SEI膜的杨氏模量很低很容易被锂枝晶刺穿。而醚类电解液中的SEI膜则是一种多层的结构，具有一层致密无机层且具有较高的杨氏模量。基于此，论文作者提出了在酯类电解液通过优化电解液成分设计先进SEI膜的方法。所设计的SEI膜具有多层结构，包括无机层和很薄的有机层。因此，在该优化的酯类电解液中锂沉积的库伦效率高达98.5%。在有限金属锂（N/P=0.5, 1）和无锂全电池中都表现出优异的循环性能。

【内容详情】                           

图1. 不同电解液中锂沉积库伦效率以及所形成的SEI膜的深度XPS表征

图2. 原子力显微镜表征不同电解液中形成SEI膜的杨氏模量

图3. 冷冻电镜表征醚类和酯类电解液中形成SEI膜的结构

图4.不同溶剂分子在金属锂表面的结合能以及电子云密度分布

图5.所设计的SEI膜的结构、组成、力学性能以及阻抗

图6.在所设计的SEI膜中，NCM811||Li全电池电化学性能

Shouyi Yuan, Suting Weng, Fei Wang, Xiaoli Dong, Yonggang Wang, Zhaoxiang Wang, Cai Shen, Junwei Lucas Bao, Xuefeng Wang, Yongyao Xia, Revisiting the Designing Criteria of Advanced Solid Electrolyte Interphase on Lithium Metal Anode under Practical Condition, Nano Energy, 2021, DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105847