谷猛团队在锂金属电池领域取得新进展

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近日，南方科技大学材料科学与工程系副教授谷猛团队通过使用超低剂量冷冻透射电子显微镜高分辨成像(Cryo-HRTEM)及断层层析技术(Cryo-ET)，揭示了醚类电解液锂金属电池中沉积锂以及SEI的纳米复合结构及三维形貌，相关研究成果发表在国际顶级学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）。论文题目为“Cryo-Electron Tomography of Highly Deformable and Adherent Solid-Electrolyte Interphase Exoskeleton in Li-Metal Batteries with Ether-based Electrolyte”。

       电动汽车目前的续航里程非常有限，大大限制了其发展。开发具有高能量密度和长寿命的电池迫在眉睫。商用锂（Li）离子电池的能量密度在过去几十年中得到了显著改善，并且已经非常接近其上限值。能量密度的进一步大幅提高取决于对新型电极材料的创新。相比于商用石墨负极（~372mAh/g），体心立方锂金属（LiBCC）具有超高的比容量（高达~3860 mAh/g），可贡献更高的电池能量密度，使得电动汽车续航里程大大提高。但是，研究表明锂金属超高的化学和电化学反应活性导致电解液对锂金属（LiMetal）的腐蚀，引发锂枝晶生长，进而造成一系列问题。调节电解液和添加剂可以调节固态电解质界面（SEI）的结构和组分，抑制锂枝晶的生长。然而，SEI和LiMetal对电子束极其敏感，难以探测其原子尺度上的精细信息，对其三维结构的揭示几乎空白。
        在醚类电解液LiTFSI-DOLDME中，LiF和Li2O纳米晶形成并嵌入至聚合物基的SEI外骨骼中。同时，非晶锂与Li2O、LiF纳米晶及SEI碎片混合形成过渡区，因此LiBCC与SEI内部的润湿性极好（润湿角为零），异质成核能垒为零。Li优选[快速剥离，在半剥离状态下形成了八个暴露的{111}面。全锂剥离后，SEI空壳展现出惊人的变形性、韧性及应力承受力。

图1. A, B半剥离LiMetal的形貌图; C电子衍射图案; D 剥离诱导的杯状表面原子模型

         两层薄至~40 nm的SEI壳可直接贴合而无机械损伤。

图2. 全剥后的SEI形貌及残留Li

         超强润湿性使Li再沉积时，LiBCC片首先成核，随后延展至SEI空壳顶端，最后扩展其厚度。结合SEI极强的化学、机械稳定性，SEI可有效地抑制LiMetal与电解液间的进一步反应。故，醚类电解液的锂金属电池展现出如此优越的性能。此外，针对在第二次沉积过程中，SEI外壳的不均匀填充导致的形成枝晶和新的SEI的问题，本文提出一种“大胶囊”策略。该策略可将电池的库仑效率进一步提高到99%以上。
        加州大学圣地亚哥分校博士后韩兵与谷猛课题组博士后李相妍为本论文第一作者，谷猛与麻省理工学院教授李巨为论文共同通讯作者，南科大为论文第一单位。本工作得到了广东省创新创业团队、粤港澳联合实验室、深圳市发展和改革委员会项目、深圳市科技计划、深圳市发展和改革委员会主席基金、国家科学基金会的基金支持。
         论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202108252


         文章来源：南方科技大学
       谷猛，南方科技大学副教授。主要从事能源材料科学研究，研究领域包括动力电池储能材料，高性能全固态电池的合成和机理分析，工业催化剂，薄膜材料等几个方面。在博士期间，开展了多功能纳米薄膜/传感器合成和电镜表征，随后加入西北太平洋国家实验室开展锂离子电池的研发。随后加入国际知名的Dow Corning化学公司, 2015年荣获美国电镜学会Albert CREWE Award奖项。