SEI形成如何影响锂钝化进而影响LMBs的实际性能指标呢

一、引言

电解质工程正成为改善锂金属电池(LMBs)的库伦效率（CE）和循环寿命的首要策略。大多数电解质工程策略涉及电解质混合物中化学物质的调节，目的是在锂和电解质之间形成稳定的界面。这种界面被称为固体电解质界面(SEI)，充当固体屏障，防止锂金属与电解质进一步反应。研究表明，SEI的控制和设计可以通过使用添加剂，改变溶剂分子以及改变锂盐的化学物种来实现。

电解质的这些变化为一类有希望的高性能电解质的设计提供了信息，这类电解质为弱溶剂化电解质。在弱溶剂化电解质中，溶剂和盐的混合物被设计为优先分解阴离子，从而形成有利的SEI物种。除了形成良好SEI的可能性之外，SEI钝化锂金属所需的电化学循环次数也至关重要，因为它决定了可用的电池容量。

锂钝化的快速性决定了电池的一些实际性能指标，例如第一次循环CE、最初几次循环的复合CE以及电池的腐蚀损失程度。改善锂钝化的一种方法是SEI形成的电化学方案设计，虽然一些研究侧重于了解SEI在不同电化学方案下如何变化，但没有报告指出SEI形成的电化学方案和LMBs实际性能指标之间的明确联系。为了设计性能更好的LMBs，必须了解SEI形成如何影响锂钝化，进而影响LMBs的实际性能指标。

二、正文部分  

成果简介

近日，斯坦福大学崔屹教授和Stacey F. Bent等人使用高性能弱溶剂化电解质，即含有1 M双(氟磺酰基)酰亚胺锂盐的氟化1，4-二甲氧基丁烷溶剂(1 M LiFSI/FDMB)，设计了用于形成SEIs的恒定电压和恒定电流方案，进而绘制了SEIs和LMBs性能指标之间的关系。恒定电压方案导致无锂金属SEI，而恒定电流方案促进了含锂金属SEI的形成，提供了两个模型来检查SEI对LMB性能的影响。

在恒定电压方案中，作者改变SEI形成期间电池保持的电位；在恒定电流方案中，作者改变SEI形成期间电池循环的电流密度。这两个方案都形成了可提高CE和减少腐蚀的SEI，其提高程度取决于SEI的性质。在恒定电压方案下，较低的电势通过能够形成富含阴离子的SEI来改善性能指标，而在恒定电流方案下，较低的电流密度能够形成较厚的SEI，这减少了Li和电解质之间的副反应。

图文导读

【图1】恒压方案导致SEI形成。

a .本研究中使用的电位下SEI形成概念的说明。将电池从OCV缓慢充电(50 μA/cm2)至相应的电位，并在该电位下保持4 h。b，c.在不同电位下形成的SEIs的XPS，分别显示了C 1s和F 1s谱。d .在不同电位下形成的SEIs中S/C和F/C的原子比，由XPS得出。e .在不同电位下形成的SEIs中S/O和F/O的原子比，由XPS得出。误差线代表一个标准偏差。

【图2】恒压SEIs提高了Li||Cu电池的CE。

a、b . Li | | Cu电池在各种化成条件下分别以1 mA/cm2和1 mAh/cm2进行长期和短期循环的CE结果。c .在1 mA/cm2下第一次循环的CE和5次循环后的复合CE。误差线代表一个标准偏差。d. Li | | Cu电池在1 mA/cm2下循环的第一次循环的电压曲线。e . 作为在1 mA/cm2下循环的至少两个Li||Cu电池的平均化成电位的函数的平均第一次循环过电势。

【图3】恒定电流SEIs提高了Li||Cu电池中的CE。

a、b .在各种恒定电流条件后，Li||Cu电池分别在1 mA/cm2和1 mAh/cm2下循环的长期和短期循环结果。c .在前5个电化学循环中，图B中电池的复合CE，所报告的电流标准化为1 cm2的活性电极面积。d .在0.5 mA/cm2下电镀和剥离0.5 mAh/cm2锂10次循环后，在铜顶部上形成的SEI的SEM截面图。e.恒定电流SEI中的锂电镀图解。f .各相应预成形条件下的SEI厚度。

【图4】SEI形成策略减少了腐蚀导致的容量损失。a.24小时老化后Li–Cu电池的库仑效率。b .在1 mA/cm2下锂剥离期间，图A中老化电池的电压曲线。c .根据EIS测量确定的不同形成条件下，作为老化时间函数的界面电阻。

总结和展望

作者开发了恒定电流和恒定电压方案，用于在高性能电解质(1 M LiFSI/FDMB)中预制SEI，并研究SEI如何影响LMBs中的库仑效率和腐蚀损失。作者发现SEI形成方案可以将第一次循环CE提高5%，将前5次电化学循环中的复合CE提高7%，并将腐蚀引起的CE损失降低8%。

在0.02 V vs Li+/Li下进行的恒定电压形成方案和在0.5 mA/cm2下进行的恒定电流形成方案产生了用于减轻锂-电解质反应的最佳钝化SEIs，尤其是在第一个电化学循环中。作者还发现，恒流SEI比恒压SEI更能有效提高性能，这可能是因为它们更厚，电解质渗透性更低，从而减少了锂-电解质反应。

随后，作者证明了恒流SEIs通过保持94.52%的CE来减少24小时老化后的腐蚀损失。总之，这项工作表明，SEI可以在不改变电解质的情况下得到显著优化，从而为LMBs中的电解质优化开辟了新的途径。

审核编辑：刘清