之前对于合金化储锂材料(硅基、锡基)容量降低、循环性变差的解释一般都是:材料嵌锂后体积膨胀巨大,如此往复,活性涂层从集流体表面脱落。也正是如此,电极表面SEI膜不断进行修复,消耗电解质。另外,还有一部分锂合金化后已经难以脱出,被宿主长期俘获。这些说明,有些锂确实被完全“绑架”了,但更深层次的原因或者机理是什么?为此,瑞典乌普萨拉大学David Rehnlund等人进行了深入探究,该工作发表在国际顶尖环境能源类杂志Energy Environ. Sci.上。 从活性物质本身出发:研究者们基于对纳米锡棒和硅电性能的分析,提出了双向扩散俘获模型。 图1.锂被活性物质俘获的机理图。
如此往复,恶性循环,导致每次的嵌锂量逐渐降低。导致颗粒从核心向表层逐渐被锂化,形成了“死锂”(如图2所示)。 图2.“死锂”的形成过程示意图。 不仅活性物质本身存在俘获锂的能力,集流体也存在同样的情况。为了研究这一情况,作者将镍、铜、钛、硼掺杂金刚石四种物质分别与金属锂直接接触,在50℃条件下密封保存1周后发现,镍、铜和钛重量变化都非常大(通过实验前后,样品的质量变化进行判断),说明金属锂可以直接向这三种物质中进行扩散。只有硼掺杂金刚石的重量未发生变化,通过HAXPES和TOF-SIMS检测也未发现Li的信号,因此硼掺杂金刚石最为适合作为负极集流体。 图3. (a)镍、铜、钛、硼掺杂金刚石四种物质和金属锂作用后的质量变化柱形图,(b)硼掺杂金刚石中锂的时间-质量变化曲线。 参考文献: David Rehnlund, Fredrik Lindgren, SolveigBöhme, Tim Nordh, Yiming Zou, Jean Pettersson, Ulf Bexell, Mats Boman, KristinaEdström, Leif Nyholm, Lithium trapping in alloy forming electrodes and currentcollectors for lithium based batteries, Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee00244k |
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