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理论物理所在锂离子电池固体-电解液界面层研究获进展

仪表研发 2020年02月07日 20:20:13 来源:仪表网人气:6005
  【仪表网 仪表研发】锂离子电池早已进入人们生活的方方面面,怎样设计出更加安全、高性能的锂电池是大家十分关心的问题。在锂离子电池充放电过程中,电极材料与电解质溶液在固液界面上会发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层,称为固体―电解液界面(SEI,solid electrolyte interface)层。研究人员发现SEI层决定了大多数电池的性能,但人们对于SEI层的结构和性质的了解还非常有限。
 
  中国科学院理论物理研究所研究员王延颋、博士研究生苏茂与美国太平洋西北国家实验室(PNNL)朱梓华课题组合作,使用二次离子质谱(SIMS)实验手段结合分子动力学模拟方法对SEI层的形成与物理化学性质进行了研究。相关结果发表于Nature Nanotechnology 杂志。
 
  电解液是一个意义广泛的名词,用于不同行业其代表的内容相差较大。有生物体内的电解液(也称电解质),也有应用于电池行业的电解液,以及电解电容器、超级电容器等行业的电解液。
 
  不同的行业应用的电解液,其成分相差巨大,甚至完全不相同。
 
  例如,人体的电解质主要由水分和PH缓冲物质等组成,铝电解液电容器的电解液含GBL等主要溶剂,超级电容器电解液含碳酸丙烯酯或乙腈主要溶剂,锂锰一次电池电解液含碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚等主要溶剂,锂离子电池电解液则含碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯以及碳酸二乙酯等主要溶剂. 它们各自的导电盐也完全不同,如超电容电解液中四氟硼酸四乙基铵,锂锰一次电池中常用高氯酸锂或三氟甲磺酸锂,而锂离子电池中则是六氟磷酸锂。
 
  锂离子电池在首次充电时,在任何相界面化学发生之前,由于锂离子和电极表面势的作用,溶剂分子会在电极与电解液界面上迅速自组装形成电双层。这一电双层的结构决定了电池的相界面化学性质。特别地,当电极充上负电荷时,其表面的电双层结构会排空阴离子(如氟离子等),从而形成一层很薄的、稠密的、无机的SEI内层。这个稠密层的主要功能是传导锂离子而绝缘电子。SEI内层形成之后,会进一步形成富含有机分子、可以渗透到电解液当中的外层。研究发现SEI内层的主要成分为氧化锂,否定了相界面上含有氟化锂的传统观点。对某些种类的电池而言,由于氟离子在相界面上起着非常重要的作用,必须引入含氟的溶剂或者添加剂。
 
  该项研究解决了长期困扰人们的SEI层特性的问题。
 
  资料来源:百科、理论物理研究所
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