二硫化鉬鋰離子電池超薄固體電解質相膜演化及起皺過程

二硫化鉬（MoS2）比容量高且應用廣泛，被認為是最具有前景的鋰離子電池陽極之一，然而它的固體電解質中間相（SEI）並不穩定，因此瞭解其充放電時的結構演變和反應機理對於進一步提高電池性能是至關重要的。

日前，中科院化學所課題組通過原位電化學原子力顯微鏡觀察了超平面單層二硫化鉬上固體電解質中間相膜和鋰化/脫硫化鉬的介面過程，定量分析了氟代碳酸乙烯酯（FEC）固體電解質中間相膜在迴圈過程中的演變，並通過詳細的步驟區分鋰化過程中皺紋結構網路的形成，據此提出了結構與反應性之間的相關性，為進一步瞭解二硫化鉬鋰離子電池的介面機理提供依據。相關成果發表在《Nature Communications》期刊上。

二硫化鉬是具有類似石墨烯層狀結構的常見過渡金屬二硫化物（TMD），中層間距約為0.65nm，層內具有強共價鍵並且層之間的弱范德華力的層狀結構可以為鹼金屬離子提供傳輸通道。二硫化鉬可用作鋰-硫電池中鋰金屬陽極的預鋰化保護層，其半導體-金屬相變和嵌入結構能夠給電池帶來不同的特性。然而，低電導率和嚴重的體積膨脹導致活性材料的粉碎和在充放電迴圈過程中不穩定的SEI膜的累積，導致可逆容量、迴圈穩定性和倍率性能顯著降低。

SEI薄膜被認為是電池中最重要但最不易理解的現象。研究人員致力於探索SEI薄膜的生長機理和組成特徵，通過採用在電解質中加入添加劑、提高成膜性能的鋰鹽和人工合成SEI膜的方法，建立了穩定的SEI膜，保證鋰離子的可逆輸運，防止電解質的進一步分解，從而顯著提高了電池的動力性能。FEC作為石墨、矽和鋰金屬陽極的電解液添加劑，在先進的鋰離子電池中得到了廣泛的應用。研究證明，FEC作為添加劑，可以誘導超薄緻密膜的形成，從而有效地保護陽極。添加10 wt%FEC有助於在二硫化鉬上形成穩定的富氟化鋰（LiF）SEI薄膜，這可以有效提高二硫化鉬電池的性能10。然而，直接跟蹤二硫化鉬上SEI薄膜的成核和形成過程，以深入瞭解其介面功能和性能還沒有實現。目前對SEI薄膜形貌、化學和生長過程的研究大多集中在石墨矽和鋰金屬陽極上，但需要對MoS2電極進行進一步的探索，以獲得更詳細和更具預測性的理解。

電池性能與鋰化/脫硫化鋰電極反應動力學密切相關。研究人員合成了二硫化鉬納米複合材料，以改善電池的性能，並著重研究了合成微結構與電化學性能的關係。對MoS2電極反應進行了即時線上表徵。原位高解析度透射電子顯微鏡（HR-TEM）已經證明了在鋰化過程中從2H MoS2到1T LixMoS2的相變。

研究人員通過原位電化學原子力顯微鏡對含和不含FEC添加劑的超平面二硫化鉬陽極的介面過程進行了深入研究，該顯微鏡模擬了真實電池並可以精確地反映介面特性以深入理解基本機理。為了捕獲SEI膜的形成和鋰化/脫鋰的初始成核過程，採用化學氣相沉積方法製備了一種大面積超平面單層二硫化鉬。在含FEC的體系中原位定量地解釋了超薄FEC衍生SEI膜（初始厚度約為0.7 0.1 nm，隨後增加到1.5 0.7 nm）的整個成核和生長，揭示了FEC可以有效保護電極免受更多的副反應和體積膨脹。而鋰化/脫鋰後皺紋的出現，證明了二硫化鉬的內在靈活性和二硫化鉬鋰電池的失效機理。這些結果不僅理解了由成膜添加劑衍生的超薄SEI的定量形成，還直接瞭解了二硫化鉬/電解液介面在充電/放電過程中的結構演變和反應機理。更重要的是瞭解了超薄和高品質SEI膜的動態生長以及二硫化鉬鋰電池的介面工程和前瞻性優化。

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