2024年8月14日，美国加州大学洛杉矶分校化工系助理教授李煜章团队在Joule期刊上发表了一篇题为“Engineering battery corrosion films by tuning electrical double-layer composition”的研究成果。
电池性能受固体电解质界面（SEI）的影响很大，而SEI是由电解质分解形成的，并且一直是工程设计的关键目标。传统SEI的设计方法主要集中在调节电解质化学上，而研究组通过调控电场展示了一种更新颖的方案。通过施加或移除局部电场来改变电双层（EDL）的组成，从而直接控制SEI的形成。在常规的、易形成溶剂衍生的SEI的电解质中，当电场被移除时，由于电场与自由阴离子之间的库伦相互作用消失，其产生的SEI表现出更多的阴离子分解信号。通过电场控制，在常规电解质中生成了阴离子增强的SEI，表现出优化的电池循环寿命和抗腐蚀性。因此，这项研究展示了EDL组成的重要性，并强调了电场强度可以作为调节SEI结构和化学性质的新参数。
论文通讯作者为李煜章教授，第一作者为袁欣彤博士。论文通讯单位为美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）。
能量密度超过锂离子电池的下一代电池，很大程度上依赖于锂金属负极，该负极在充电时进行锂金属的电沉积，在放电时则被剥离。电沉积过程的可逆性决定了锂金属电池的性能，但该过程会因电解质分解和SEI的形成而复杂化。SEI层具有离子导电性但也有电子绝缘性，能够紧密地钝化锂金属表面，防止其持续分解。钝化程度往往取决于SEI的化学性质，而SEI化学性质则直接受EDL中分解组分的影响。
这项研究展示了如何通过调节电场直接控制EDL的组成及其产生的SEI的化学性质和结构。在有电场的情况下，其产生的SEI被定义为电化学SEI；而在没有电场的情况下形成的SEI则为化学SEI。电场存在时形成的电化学SEI与电场缺失时形成的化学SEI在厚度、结构、稳定性和性能上存在显著差异。通过电场调控SEI的研究提供了新的方法来优化电池性能，并鼓励探索电解质和溶剂化结构设计之外的调节方法。
图1：化学SEI和电化学SEI的形成过程示意图：在没有电场的情况下，溶剂化的Li+、自由阴离子和溶剂是随机分布的（左图）。当施加电场时，inner Helmholtz plane（IHP）主要由去溶剂化的Li+和溶剂组成，而outer Helmholtz plane（OHP）则被Li+溶剂化结构占据，自由阴离子被排斥在Helmholtz plane之外。XPS分析从不同角度揭示了在1M LiPF6in EC/DEC电解液中，化学SEI包含了更多的无机组分。
图2：通过冷冻电镜对1M LiPF6in EC/DEC电解液体系中的化学SEI和电化学SEI进行了纳米结构和化学的表征。
图3：通过原位电化学实验和理论计算反映了电场和自由阴离子之间的库伦斥力。
图4：通过冷冻电镜对4M LiFSI in DME电解液体系中的化学SEI和电化学SEI进行了纳米结构和化学的表征。
图5：1M LiPF6in EC/DEC电解液体系中的化学SEI对提升电池性能和抗腐蚀性的贡献。
图6：脉冲SEI（即在电化学SEI形成过程中引入了脉冲充电来改善得到的SEI结构）设计及对电池性能的提升。
该研究揭示了电场对EDL的控制作用继而对SEI结构和化学形成的调节。在锂金属沉积过程中的负压电场中，电化学SEI表现出更多溶剂分解的产物性质。而当电场被移除后，对阴离子的排斥作用消失，所形成的化学SEI则富含阴离子分解的产物。通过原位电化学拉曼光谱实验和广义势密度泛函理论分析验证了电场对EDL组分的影响。这些发现为电池研究提供了新的见解：(1) 电场的空间变化会导致SEI的不均匀性；(2) 通常表现出溶剂衍生的电化学SEI组分可以通过对电场的调节来增强阴离子分解产物，从而改善电池的循环性能和抗腐蚀性。更广泛地，这份工作鼓励未来更多的研究采用调节EDL组成的方法，以便更精确地控制SEI的结构和组成。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.07.011
