由於化學電源的電化學性能與電極/電解質的界面過程密切相關, 涉及電荷轉移, 離子輸運, 相的生成和轉化等步驟, 在納米尺度上深入理解界面過程對於器件設計和材料優化具有重要意義. 然而能源體系的運行環境非常複雜, 涉及無水無氧環境, 有機/離子液體電解質體系, 多相界面, 多電子反應過程等, 因此, 針對性發展複雜體系下電化學界面高分辨原位成像方法, 從而實現電化學反應過程的即時追蹤和原位分析, 也是電分析化學的挑戰和難點之一.
中國科學院化學研究所分子納米結構與納米技術院重點實驗室文銳課題組致力於鋰電池界面電化學過程的原位研究並取得系列進展. 在前期工作中, 他們利用氬氣環境下的原位原子力顯微鏡(AFM), 在以[BMP]+[FSI]-為代表的離子液體中, 捕獲納米尺度上鋰離子電池中高定向熱解石墨(HOPG)表面固態電解質界面膜(SEI)的初始成核, 逐步生長及成膜的系列演化過程, 並揭示了不同離子液體中SEI膜的界面性質及與電池性能相關性. 相關成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上.
進一步, 研究人員開展了具有高理論能量密度(2600 Wh/kg)鋰硫電池中界面電化學反應的系列研究. 利用電化學AFM及譜學分析表徵, 實現了在鋰硫充放電過程中還原產物硫化鋰和過硫化鋰在界面形貌演變及生長/溶解過程的原位監測(圖1), 並提出過硫化鋰在迴圈過程中不可逆反應產生的界面聚集是導致電極鈍化及電池性能衰減的原因之一. 恒電流控制下的原位成像研究表明, 電流密度大小影響界面形貌及沉積物種類, 直觀揭示了結構-性能關聯性. 相關成果發表在Angewandte Chemie International Edition上.
近日, 科研人員利用電化學AFM進一步探究了在高溫條件下鋰硫電池在LiFSI基電解液中的界面行為與反應機制(圖2). 研究發現, 在高溫60℃時, 陰極/電解質界面在放電過程中會原位形成一層由LiF納米顆粒構成的功能性界面膜, 並通過物理尺寸效應及化學吸附作用捕獲電解液中的長鏈多硫化鋰. 此過程有利於抑制多硫化物穿梭效應及副反應的發生, 並增強界面電化學反應的可逆性. 該研究通過原位表徵與分析為高溫電化學行為在納米尺度提供了直接的界面機理解釋, 也為鋰硫電池的電解液設計及性能提升提供了思路和指導. 相關成果發表在Angewandte Chemie International Edition上.
研究工作得到了科技部, 國家自然科學基金委和中科院的支援.
