二硫化钼锂离子电池超薄固体电解质相膜演化及起皱过程

二硫化钼（MoS2）比容量高且应用广泛，被认为是最具有前景的锂离子电池阳极之一，然而它的固体电解质中间相（SEI）并不稳定，因此了解其充放电时的结构演变和反应机理对于进一步提高电池性能是至关重要的。

日前，中科院化学所课题组通过原位电化学原子力显微镜观察了超平面单层二硫化钼上固体电解质中间相膜和锂化/脱硫化钼的界面过程，定量分析了氟代碳酸乙烯酯（FEC）固体电解质中间相膜在循环过程中的演变，并通过详细的步骤区分锂化过程中皱纹结构网络的形成，据此提出了结构与反应性之间的相关性，为进一步了解二硫化钼锂离子电池的界面机理提供依据。相关成果发表在《Nature Communications》期刊上。

二硫化钼是具有类似石墨烯层状结构的常见过渡金属二硫化物（TMD），中层间距约为0.65nm，层内具有强共价键并且层之间的弱范德华力的层状结构可以为碱金属离子提供传输通道。二硫化钼可用作锂-硫电池中锂金属阳极的预锂化保护层，其半导体-金属相变和嵌入结构能够给电池带来不同的特性。然而，低电导率和严重的体积膨胀导致活性材料的粉碎和在充放电循环过程中不稳定的SEI膜的累积，导致可逆容量、循环稳定性和倍率性能显著降低。

SEI薄膜被认为是电池中最重要但最不易理解的现象。研究人员致力于探索SEI薄膜的生长机理和组成特征，通过采用在电解质中加入添加剂、提高成膜性能的锂盐和人工合成SEI膜的方法，建立了稳定的SEI膜，保证锂离子的可逆输运，防止电解质的进一步分解，从而显著提高了电池的动力性能。FEC作为石墨、硅和锂金属阳极的电解液添加剂，在先进的锂离子电池中得到了广泛的应用。研究证明，FEC作为添加剂，可以诱导超薄致密膜的形成，从而有效地保护阳极。添加10 wt%FEC有助于在二硫化钼上形成稳定的富氟化锂（LiF）SEI薄膜，这可以有效提高二硫化钼电池的性能10。然而，直接跟踪二硫化钼上SEI薄膜的成核和形成过程，以深入了解其界面功能和性能还没有实现。目前对SEI薄膜形貌、化学和生长过程的研究大多集中在石墨硅和锂金属阳极上，但需要对MoS2电极进行进一步的探索，以获得更详细和更具预测性的理解。

电池性能与锂化/脱硫化锂电极反应动力学密切相关。研究人员合成了二硫化钼纳米复合材料，以改善电池的性能，并着重研究了合成微结构与电化学性能的关系。对MoS2电极反应进行了实时在线表征。原位高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）已经证明了在锂化过程中从2H MoS2到1T LixMoS2的相变。

研究人员通过原位电化学原子力显微镜对含和不含FEC添加剂的超平面二硫化钼阳极的界面过程进行了深入研究，该显微镜模拟了真实电池并可以精确地反映界面特性以深入理解基本机理。为了捕获SEI膜的形成和锂化/脱锂的初始成核过程，采用化学气相沉积方法制备了一种大面积超平面单层二硫化钼。在含FEC的体系中原位定量地解释了超薄FEC衍生SEI膜（初始厚度约为0.7 0.1 nm，随后增加到1.5 0.7 nm）的整个成核和生长，揭示了FEC可以有效保护电极免受更多的副反应和体积膨胀。而锂化/脱锂后皱纹的出现，证明了二硫化钼的内在灵活性和二硫化钼锂电池的失效机理。这些结果不仅理解了由成膜添加剂衍生的超薄SEI的定量形成，还直接了解了二硫化钼/电解液界面在充电/放电过程中的结构演变和反应机理。更重要的是了解了超薄和高质量SEI膜的动态生长以及二硫化钼锂电池的界面工程和前瞻性优化。

• < 上页
• 下页 >