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  • Wiley:MaterialsViewsChina视频报道:原位SEM技术洞悉锂枝晶形成过程
  • [2018-01-19]
  •         锂金属作为电池负极时,电池常具有极高的电池容量和能量密度,因此锂金属负极在动力电池中备受青睐。但电池循环使用过程中,锂金属负极往往伴随着锂枝晶的生成,进而降低了电池的库伦效率(“死锂”所致),并带来潜在的安全隐患(枝晶刺穿隔膜并诱发电池短路所致)。

            鉴于此,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张跃钢研究员及其同事依托于扫描电子显微镜(SEM)技术揭示了锂枝晶的形成过程。分辨率介于扫描隧道电子显微镜和光学显微镜之的SEM技术能够研究相对较大尺寸的电池和较多量的电解液。该举措首次将原位SEM技术应用于锂电池循环使用中,以探究电池充放使用中变化过程。

     

           沉积过程开始几秒后,锂枝晶便清晰可见并快速生长,当电沉积300秒后,锂枝晶的长度可达60μm。然而,上述醚类电解液中添加锂硝酸成分后,电沉积350秒后,锂枝晶长度却仅为18μm。在上述两种体系电解液电池的放电过程中,有的锂枝晶失去电子变成锂离子溶解于电解液,有的没有参与电化学反应残留在基底(化学惰性所致),也有的形成“死锂”。

             当上述醚类电解液加入多硫化锂添加剂,锂枝晶会变得更短:即便沉积600秒,锂枝晶的长度也不超过10um。密度泛函理论计算表明:多硫化锂可通过“刻蚀”反应来抑制枝晶生长,这主要是由于多硫化锂团簇中的锂原子的能量比锂金属中的能量低所导致的。除此之外,作者还发现:将硝酸锂和多硫化锂同时作为添加剂加入到醚类电解液中,能到达最好抑制枝晶生长的效果(该实验条件下,锂枝晶长度不足3μm),这明显短于没有添加剂时形成的锂枝晶长度(60 um)。

              总之,原位SEM技术为获悉锂枝晶形成的过程提供了宝贵的平台。不仅如此,该技术也可用于探究和阐明其它电化学系统中的反应形成机制。本文在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201606187,查看原文)。

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