便攜式智能器件與長續(xù)航電動汽車的發(fā)展，對可充電的二次電池的能量密度提出了更高的要求。當鋰負極與硫正極相匹配時，組成鋰硫電池的容量高達2600 Wh kg-1，這將適用于未來高能量密度需求的電動汽車。在前期的硫正極研究中，從納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與表面功能化出發(fā)（Journal of Power Sources, 2016, 321, 193；Nano Energy, 2017, 40, 390），制備出不同的活性納米催化劑復(fù)合材料（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 12727；Energy Storage Materials, 2020, 28, 375；ChemSusChem, 2020, 13, 3404），并選用原位光譜手段探究其相關(guān)作用機制 （Energy Storage Materials, 2019, 18, 246；Energy & Environmental Materials, 2020, DOI: 10.1002/eem2.12152）。
在眾多負極中，金屬鋰負極具有高的理論比容量和低的電極電勢。然而，壽命短和穩(wěn)定性差等問題阻礙其商業(yè)化進程。金屬鋰負極面臨挑戰(zhàn)：電化學形成的固態(tài)電解質(zhì)中間相（SEI）的脆性與疏松性，使金屬鋰發(fā)生不均勻沉積與溶解，最終形成枝晶；體積膨脹引起的電極結(jié)構(gòu)變形和粉化。這些問題并非相互獨立，而是內(nèi)在關(guān)聯(lián)的。
針對上述問題，中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所教授張躍鋼與研究員藺洪振團隊，從表面功能化角度出發(fā)，在金屬鋰表面制備出有序結(jié)構(gòu)的有機/無機SEI層，并選用原位和頻振動光譜手段研究其相關(guān)作用機制。
不同于常規(guī)的無序結(jié)構(gòu)或單一組分SEI的負極（圖1），研究利用高反應(yīng)活性Pyr13FSI離子液體在鋰金屬表面自組裝形成有序結(jié)構(gòu)的有機/無機SEI層，通過界面選擇性和頻振動光譜（SFG）、X射線光譜（XPS）及原子力譜（AFM）表征了有序結(jié)構(gòu)中有機層與無機層的存在（圖2）。
圖1.金屬鋰表面SEI層的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.有序結(jié)構(gòu)SAHL-Li的自組裝演化過程及其界面有機、無機層的表征
在電化學測試過程中，選用前期課題組報道的LiFSI基醚類電解液體系（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 30500），預(yù)處理的鋰金屬電極在高達10 mA cm-2的條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的可逆性與穩(wěn)定性，即便在3 mA h cm-2的大沉積溶解容量下也保持著高庫侖效率，這些電化學結(jié)果優(yōu)于多數(shù)報道的文獻。循環(huán)后的SEM圖顯示，預(yù)處理的金屬鋰表面光滑平整，而原始鋰片則形成眾多的裂痕與粉化。
圖3.有序雙層SAHL SEI層修飾鋰金屬電極的電化學穩(wěn)定性
進一步，該團隊選用自主設(shè)計與研發(fā)的原位電化學和頻振動光譜技術(shù)，原位SFG測試結(jié)果顯示有序有機/無機雜化SEI層阻礙了溶劑分子在金屬鋰表面的吸附，對抑制鋰枝晶形成的具有優(yōu)勢。
圖4.原位SFG對SEI作用機制研究
相關(guān)研究成果以In-situ self-assembly of ordered organic/inorganic dual-layered interphase for achieving long-life dendrite-free Li metal anodes in LiFSI-based electrolyte為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上，蘇州納米所博士王健為論文第一作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及德國Alexander von Humboldt Foundation（德國洪堡基金會）等的支持。
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