我國提出一種策略提升鋰電池性能，簡單又廉價

（文章來源：孜然學(xué)術(shù)）

在鋰金屬表面上構(gòu)建人工固體電解質(zhì)中間相（SEI）是提高表面SEI的離子電導(dǎo)率并抑制鋰金屬負極枝晶生長的最有效的方法之一。然而構(gòu)建均質(zhì)，理想的人工SEI仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)余彥教授（通訊作者）采用一種簡便、廉價的氣-固反應(yīng)制備了混合鋰離子導(dǎo)電Li2S/Li2Se（LSSe）保護層，從而構(gòu)建了穩(wěn)定的高離子導(dǎo)電人工SEI。由LSSe保護的鋰金屬負極（LSSe@Li）構(gòu)成的Li|Li對稱電池在1.5 mA cm-2和3 mAh cm-2的條件下實現(xiàn)無枝晶沉積/剝離超過900h。

同時，與普通鋰負極相比，LSSe@Li分別與LiFePO4、S/C和LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正極配對的全電池均表現(xiàn)出較好的電池循環(huán)性能和倍率性能。此外，通過密度泛函理論證實了Li2Se比Li2S具有更低的Li+遷移勢壘。

為了滿足人們高能量密度存儲系統(tǒng)的實際要求，必須開發(fā)出具有商業(yè)化應(yīng)用前景的高能量密度的二次電池。使用高理論比容量和低電極電位金屬鋰作為負極的鋰金屬電池具有被認為是最有希望的替代者。然而，鋰金屬電池的實際應(yīng)用受到鋰沉積不均勻，無限體積膨脹和鋰枝晶快速生長的固有問題的嚴(yán)重阻礙，導(dǎo)致安全問題和可循環(huán)性差。

近年來，已經(jīng)開發(fā)了眾多策略去解決這些關(guān)鍵問題以增強鋰金屬電池的穩(wěn)定性。其中，構(gòu)建穩(wěn)定的SEI對于提升電池穩(wěn)定性至關(guān)重要。原因在于重復(fù)的Li沉積/剝離過程中，不穩(wěn)定的SEI容易破裂，從而導(dǎo)致大量的電解質(zhì)消耗和局部增強的Li+通量，并伴隨不均勻的Li+沉積，從而導(dǎo)致鋰枝晶生長。因此，理想的SEI應(yīng)該具有以下特征：i）均勻鈍化鋰金屬負極，且金屬鋰與有機電解液之間沒有副反應(yīng)；ii）提升人工SEI膜中的Li+傳輸速率，以促進均勻的Li+沉積而不會引起枝晶生長；iii）具有阻止枝晶形核和生長的功能。

最近，Li2S保護層由于其高離子電導(dǎo)率(~10-5 Scm-1)，已被證明是抑制Li枝晶生長的穩(wěn)定SEI層。同時，Li2S和Li2Se具有相似的化學(xué)性質(zhì)和更高的Li+遷移能力。具有較高導(dǎo)電性的Li2Se能提供較高的機械電阻，使Li+能夠快速均勻地轉(zhuǎn)移到整個電極表面，從而防止了Li枝晶的生長。

因此，作者在低溫下通過簡單的氣固(SES2/Li)反應(yīng)進行設(shè)計了一種混合鋰離子導(dǎo)電Li2S/Li2Se保護層，同時通過密度泛函理論（DFT）計算結(jié)果表明，在不同的晶面上，Li2Se 的離子遷移勢壘能量都低于Li2S 的遷移勢壘能量，從而證明了Li2Se 的引入有利于提高人工SEI的Li+遷移。人工Li2S/Li2Se SEI膜保護的鋰金屬對稱電池在不同電流密度下均具有更穩(wěn)定且長的循環(huán)性能。

當(dāng)Li2S/Li2Se保護的Li金屬（LSSe@Li）負極與LiFePO4正極組裝成全電池在1C的倍率下循環(huán)450之后，仍然具有160mAg-1的超高容量和91.5%的容量保持率。同時當(dāng)與硫正極匹配使用時，LSSe@Li負極與普通Li金屬負極相比，在100次循環(huán)中表現(xiàn)出更穩(wěn)定的循環(huán)曲線，表明這種基于LSSe的人工SEI膜還能緩解金屬鋰對多硫化物的還原，從而提高Li-S電池的性能。

綜上所述，本文提出了一種簡便的策略制備Li2S/Li2Se的人工SEI膜，可以防止不均勻的離子通量和鋰沉積結(jié)構(gòu)。同時通過DFT計算也證實了Li2Se對改善SEI離子電導(dǎo)率的重要作用。因此，本工作提供了一種由低沸點反應(yīng)制備的混合Li+導(dǎo)電保護層衍生的想法，對鋰金屬電池的改性起著關(guān)鍵作用。
（責(zé)任編輯：fqj）