柱状金属锂沉积物:电解液添加剂的影响

杨世杰 徐向群 程新兵 王鑫萌 陈金秀 肖也 袁洪 刘鹤 陈爱兵 朱万诚 黄佳琦 张强

引用本文: 杨世杰, 徐向群, 程新兵, 王鑫萌, 陈金秀, 肖也, 袁洪, 刘鹤, 陈爱兵, 朱万诚, 黄佳琦, 张强. 柱状金属锂沉积物:电解液添加剂的影响[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1): 2007058-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007058 shu
Citation:  Yang Shijie, Xu Xiangqun, Cheng Xinbing, Wang Xinmeng, Chen Jinxiu, Xiao Ye, Yuan Hong, Liu He, Chen Aibing, Zhu Wancheng, Huang Jiaqi, Zhang Qiang. Columnar Lithium Metal Deposits: the Role of Non-Aqueous Electrolyte Additive[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(1): 2007058-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007058 shu

柱状金属锂沉积物:电解液添加剂的影响

    通讯作者: 程新兵, cxb12@mails.tsinghua.edu.cn; 袁洪, yuanhong@bit.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2016YFA0202500, 2016YFA0200102), 国家自然科学基金(21805161, 21808124, U1932220)资助项目

摘要: 二次电池的能量密度已成为推动电动汽车和便携式电子产品技术向前发展的重要指标。使用石墨负极的锂离子电池正接近其理论能量密度的天花板,但仍难以满足高端储能设备的需求。金属锂负极因其极高的理论比容量和极低的电极电位,受到了广泛关注。然而,锂沉积过程中枝晶的生长会导致电池安全性差等问题。电解液对金属锂的沉积有着至关重要的影响。本文设计了一种独特的电解槽体系来进行柱状锂的沉积,研究了不同电解液体系(1 mol·L-1 LiPF6-碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯(EC/DEC,体积比为1 : 1)、1 mol·L-1 LiPF6-氟代碳酸乙烯酯(FEC,体积分数5%)-EC/DEC (体积比为1 : 1))对金属锂沉积的影响。对两种电解液中金属锂沉积物长径比的研究表明,电解液的组分可以显著地影响金属锂的沉积形貌,在加入氟代碳酸乙烯酯(FEC)添加剂之后,柱状锂的直径从0.3–0.6 μm增加到0.7–1.3 μm,长径比从12.5下降到5.6。长径比的降低有助于减小金属锂和电解液的反应面积,提高金属锂负极的利用率和循环寿命。通过考察循环后锂片的表面化学性质,发现FEC的分解增加了锂表面固态电解质界面层中氟化锂(LiF)组分的比例,提高了界面层中锂离子的扩散速率,减少了锂的成核位点,从而给予锂核更大的生长空间,降低了沉积出的柱状锂的长径比。

English

    1. [1]

      Chen, X. R.; Yao, Y. X.; Yan, C.; Zhang, R.; Cheng, X. B.; Zhang, Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 7817. doi: 10.1002/ange.202000375

    2. [2]

      Fan, Y.; Wang, T.; Legut, D.; Zhang, Q. J. Energy Chem. 2019, 39, 160. doi: 10.1016/j.jechem.2019.01.021

    3. [3]

      Liu, H.; Cheng, X. B.; Huang, J. Q.; Yuan, H.; Lu, Y.; Yan, C.; Zhu, G. L.; Xu, R.; Zhao, C. Z.; Hou, L. P.; et al. ACS Energy Lett. 2020, 5, 833. doi: 10.1021/acsenergylett.9b02660

    4. [4]

      Qiao, Y.; Li, Q.; Cheng, X. B.; Liu, F. X.; Yang, Y.; Lu, Z. S.; Zhao, J.; Wu, J. W.; Liu, H.; Yang, S. T.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5767. doi: 10.1021/acsami.9b18315

    5. [5]

      Shen, Y.; Zhang, Y.; Han, S.; Wang, J.; Peng, Z.; Chen, L. Joule 2018, 2, 1674. doi: 10.1016/j.joule.2018.06.021

    6. [6]

      Feng, Y. Q.; Zheng, Z. J.; Wang, C. Y.; Yin, Y. X.; Ye, H.; Cao, F. F.; Guo, Y. G. Nano Energy 2020, 73, 104731. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104731

    7. [7]

      Wan, J.; Xie, J.; Kong, X.; Liu, Z.; Liu, K.; Shi, F.; Pei, A.; Chen, H.; Chen, W.; Chen, J.; et al. Nat. Nanotechnol. 2019, 14, 705. doi: 10.1038/s41565-019-0465-3

    8. [8]

      Ma, Y. Y.; Chen, D.; Yang, Q. L.; Yin, Y. X.; Bai, X. P.; Zhen, S. Y.; Fan, C.; Sun, K. N. J. Energy Chem. 2020, 42, 49. doi: 10.1016/j.jechem.2019.06.008

    9. [9]

      刘亚, 郑磊, 谷巍, 沈炎宾, 陈立桅.物理化学学报, 2021, 37, 2004058. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004058Liu, Y.; Zheng, L.; Gu, W.; Shen, Y. B.; Chen, L. W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2004058. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004058

    10. [10]

      Liang, Y.; Zhao, C. Z.; Yuan, H.; Chen, Y.; Zhang, W.; Huang, J. Q.; Yu, D.; Liu, Y.; Titirici, M. M.; Chueh, Y. L.; et al. InfoMat. 2019, 1, 6. doi: 10.1002/inf2.12000

    11. [11]

      Kong, L.; Yan, C.; Huang, J. Q.; Zhao, M. Q.; Titirici, M. M.; Xiang, R.; Zhang, Q. Energy Environ. Mater. 2018, 1, 100. doi: 10.1002/eem2.12012

    12. [12]

      Yan, C.; Cheng, X. B.; Tian, Y.; Chen, X.; Zhang, X. Q.; Li, W. J.; Huang, J. Q.; Zhang, Q. Adv. Mater. 2018, 30, 1707629. doi: 10.1002/adma.201707629

    13. [13]

      Shi, P.; Li, T.; Zhang, R.; Shen, X.; Cheng, X. B.; Xu, R.; Huang, J. Q.; Chen, X. R.; Liu, H.; Zhang, Q. Adv. Mater. 2019, 31, 1807131. doi: 10.1002/adma.201807131

    14. [14]

      Xu, R.; Xiao, Y.; Zhang, R.; Cheng, X. B.; Zhao, C. Z.; Zhang, X. Q.; Yan, C.; Zhang, Q.; Huang, J. Q. Adv. Mater. 2019, 31, 1808392. doi: 10.1002/adma.201808392

    15. [15]

      Tong, B.; Chen, X.; Chen, L.; Zhou, Z.; Peng, Z. ACS Appl. Energy Mater. 2018, 1, 4426. doi: 10.1021/acsaem.8b00821

    16. [16]

      Ye, H.; Zhang, Y.; Yin, Y. X.; Cao, F. F.; Guo, Y. G. ACS Cent. Sci. 2020, 6, 661. doi: 10.1021/acscentsci.0c00351

    17. [17]

      Zhang, W.; Wu, Q.; Huang, J.; Fan, L.; Shen, Z.; He, Y.; Feng, Q.; Zhu, G.; Lu, Y. Adv. Mater. 2020, 32, 2001740. doi: 10.1002/adma.202001740

    18. [18]

      郭峰, 陈鹏, 康拓, 王亚龙, 刘承浩, 沈炎宾, 卢威, 陈立桅.物理化学学报, 2019, 35, 1365. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903008Guo, F.; Chen, P.; Kang, T.; Wang, Y. L.; Liu, C. H.; Shen, Y. B.; Lu, W.; Chen, L. W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 1365. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903008

    19. [19]

      岳昕阳, 马萃, 包戬, 杨思宇, 陈东, 吴晓京, 周永宁.物理化学学报, 2021, 37, 2005012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005012Yue, X. Y.; Ma, C.; Bao, J.; Yang, S. Y.; Chen, D.; Wu, X. J.; Zhou, Y. N. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2005012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005012

    20. [20]

      Wang, G.; Xiong, X.; Xie, D.; Fu, X.; Ma, X.; Li, Y.; Liu, Y.; Lin, Z.; Yang, C.; Liu, M. Energy Storage Mater. 2019, 23, 701. doi: 10.1016/j.ensm.2019.02.026

    21. [21]

      Zhang, R.; Shen, X.; Cheng, X. B.; Zhang, Q. Energy Storage Mater. 2019, 23, 556. doi: 10.1016/j.ensm.2019.03.029

    22. [22]

      Shi, P.; Cheng, X. B.; Li, T.; Zhang, R.; Liu, H.; Yan, C.; Zhang, X. Q.; Huang, J. Q.; Zhang, Q. Adv. Mater. 2019, 31, 1902785. doi: 10.1002/adma.201902785

    23. [23]

      Niu, C.; Lee, H.; Chen, S.; Li, Q.; Du, J.; Xu, W.; Zhang, J. G.; Whittingham, M. S.; Xiao, J.; Liu, J. Nat. Energy 2019, 4, 551. doi: 10.1038/s41560-019-0390-6

    24. [24]

      Hobold, G. M.; Khurram, A.; Gallant, B. M. Chem. Mater. 2020, 32, 2341. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b04550

    25. [25]

      Chen, Y.; Luo, Y.; Zhang, H.; Qu, C.; Zhang, H.; Li, X. Small Methods 2019, 3, 1800551. doi: 10.1002/smtd.201800551

    26. [26]

      Yao, Y. X.; Zhang, X. Q.; Li, B. Q.; Yan, C.; Chen, P. Y.; Huang, J. Q.; Zhang, Q. InfoMat 2020, 2, 379. doi: 10.1002/inf2.12046

    27. [27]

      Fan, H.; Gao, C.; Jiang, H.; Dong, Q.; Hong, B.; Lai, Y. J. Energy Chem. 2020, 49, 59. doi: 10.1016/j.jechem.2020.01.013

    28. [28]

      Liu, H.; Cheng, X. B.; Huang, J. Q.; Kaskel, S.; Chou, S.; Park, H. S.; Zhang, Q. ACS Mater. Lett. 2019, 1, 217. doi: 10.1021/acsmaterialslett.9b00118

    29. [29]

      Zhang, X. Q.; Cheng, X. B.; Chen, X.; Yan, C.; Zhang, Q. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1605989. doi: 10.1002/adfm.201605989

    30. [30]

      Chen, W. J.; Zhao, C. X.; Li, B. Q.; Jin, Q.; Zhang, X. Q.; Yuan, T. Q.; Zhang, X.; Jin, Z.; Kaskel, S.; Zhang, Q. Energy Environ. Mater. 2020, 3, 160. doi: 10.1002/eem2.12073

    31. [31]

      He, Y.; Zhang, Y.; Yu, P.; Ding, F.; Li, X.; Wang, Z.; Lv, Z.; Wang, X.; Liu, Z.; Huang, X. J. Energy Chem. 2020, 45, 1. doi: 10.1016/j.jechem.2019.09.033

    32. [32]

      Chen, J. X.; Zhang, X. Q.; Li, B. Q.; Wang, X. M.; Shi, P.; Zhu, W. C.; Chen, A. B.; Jin, Z. H.; Xiang, R.; Huang, J. Q.; Zhang, Q. J. Energy Chem. 2020, 47, 128. doi: 10.1016/j.jechem.2019.11.024

    33. [33]

      Yang, Q. L.; Li, W. L.; Dong, C.; Ma, Y. Y.; Yin, Y. X.; Wu, Q. B.; Xu, Z. T.; Ma, W.; Fan, C.; Sun, K. N. J. Energy Chem. 2020, 42, 83. doi: 10.1016/j.jechem.2019.06.012

    34. [34]

      Li, C.; Liu, S.; Shi, C.; Liang, G.; Lu, Z.; Fu, R.; Wu, D. Nat. Commun. 2019, 10, 1363. doi: 10.1038/s41467-019-09211-z

    35. [35]

      Wei, Z.; Ren, Y.; Sokolowski, J.; Zhu, X.; Wu, G. InfoMat 2020, 2, 483. doi: 10.1002/inf2.12097

    36. [36]

      Liu, H.; Chen, X.; Cheng, X. B.; Li, B. Q.; Zhang, R.; Wang, B.; Chen, X.; Zhang, Q. Small Methods 2019, 3, 1800354. doi: 10.1002/smtd.201800354

    37. [37]

      Shen, X.; Cheng, X.; Shi, P.; Huang, J.; Zhang, X.; Yan, C.; Li, T.; Zhang, Q. J. Energy Chem. 2019, 37, 29. doi: 10.1016/j.jechem.2018.11.016

    38. [38]

      Shang, Y.; Chu, T.; Shi, B.; Fu, K. Energy Environ. Mater. 2020. doi: 10.1002/eem2.12099

    39. [39]

      Lu, D.; Shao, Y.; Lozano, T.; Bennett, W. D.; Graff, G. L.; Polzin, B.; Zhang, J.; Engelhard, M. H.; Saenz, N. T.; Henderson, W. A.; et al. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1702322. doi: 10.1002/aenm.201400993

    40. [40]

      Wood, K. N.; Kazyak, E.; Chadwick, A. F.; Chen, K. H.; Zhang, J. G.; Thornton, K.; Dasgupta, N. P. ACS Cent. Sci. 2016, 2, 790. doi: 10.1021/acscentsci.6b00260

    41. [41]

      Yin, X.; Tang, W.; Jung, I. D.; Phua, K. C.; Adams, S.; Lee, S. W.; Zheng, G. W. Nano Energy 2018, 50, 659. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.06.003

    42. [42]

      Yan, K.; Wang, J.; Zhao, S.; Zhou, D.; Sun, B.; Cui, Y.; Wang, G. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 11364. doi: 10.1002/anie.201905251

    43. [43]

      Rodriguez, R.; Loeffler, K. E.; Edison, R. A.; Stephens, R. M.; Dolocan, A.; Heller, A.; Mullins, C. B. ACS Appl. Energy Mater. 2018, 1, 5830. doi: 10.1021/acsaem.8b01194

    44. [44]

      Zhang, Y.; Qian, J.; Xu, W.; Russell, S. M.; Chen, X.; Nasybulin, E.; Bhattacharya, P.; Engelhard, M. H.; Mei, D.; Cao, R.; et al. Nano Lett. 2014, 14, 6889. doi: 10.1021/nl5039117

    45. [45]

      Zhang, X. Q.; Chen, X.; Xu, R.; Cheng, X. B.; Peng, H. J.; Zhang, R.; Huang, J. Q.; Zhang, Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14207. doi: 10.1002/anie.201707093

    46. [46]

      Qian, J.; Xu, W.; Bhattacharya, P.; Engelhard, M.; Henderson, W. A.; Zhang, Y.; Zhang, J. G. Nano Energy 2015, 15, 135. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.04.009

    47. [47]

      Cheng, X. B.; Zhao, M. Q.; Chen, C.; Pentecost, A.; Maleski, K.; Mathis, T.; Zhang, X. Q.; Zhang, Q.; Jiang, J.; Gogotsi, Y. Nat. Commun. 2017, 8, 336. doi: 10.1038/s41467-017-00519-2

    48. [48]

      Michan, A. L.; Parimalam, B. S.; Leskes, M.; Kerber, R. N.; Yoon, T.; Grey, C. P.; Lucht, B. L. Chem. Mater. 2016, 28, 8149. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b02282

    49. [49]

      Nie, M.; Demeaux, J.; Young, B. T.; Heskett, D. R.; Chen, Y.; Bose, A.; Woicik, J. C.; Lucht, B. L. J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A7008. doi: 10.1149/2.0021513jes

    50. [50]

      Heine, J.; Hilbig, P.; Qi, X.; Niehoff, P.; Winter, M.; Bieker, P. J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A1094. doi: 10.1149/2.0011507jes

    51. [51]

      Jurng, S.; Brown, Z. L.; Kim, J.; Lucht, B. L. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2600. doi: 10.1039/c8ee00364e

    52. [52]

      Ko, J.; Yoon, Y. S. Ceram. Int. 2019, 45, 30. doi: 10.1016/j.ceramint.2018.09.287

    53. [53]

      Lang, J.; Long, Y.; Qu, J.; Luo, X.; Wei, H.; Huang, K.; Zhang, H.; Qi, L.; Zhang, Q.; Li, Z.; Wu, H. Energy Storage Mater. 2019, 16, 85. doi: 10.1016/j.ensm.2018.04.024

    54. [54]

      Shin, H.; Park, J.; Han, S.; Sastry, A. M.; Lu, W. J. Power Sources 2015, 277, 169. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.11.120

    55. [55]

      Jones, J.; Anouti, M.; Caillon-Caravanier, M.; Willmann, P.; Lemordant, D. Fluid Phase Equilib. 2009, 285, 62. doi: 10.1016/j.fluid.2009.07.020

    56. [56]

      He, M.; Guo, R.; Hobold, G. M.; Gao, H.; Gallant, B. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2020, 117, 73. doi: 10.1073/pnas.1911017116

    57. [57]

      Yang, G.; Li, Y.; Liu, S.; Zhang, S.; Wang, Z.; Chen, L. Energy Storage Mater. 2019, 23, 350. doi: 10.1016/j.ensm.2019.04.041

    58. [58]

      Lee, Y.; Lee, T. K.; Kim, S.; Lee, J.; Ahn, Y.; Kim, K.; Ma, H.; Park, G.; Lee, S. M.; Kwak, S. K.; Choi, N. S. Nano Energy 2020, 67, 104309. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104309

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  174
  • HTML全文浏览量:  19
文章相关
  • 发布日期:  2021-01-15
  • 收稿日期:  2020-07-23
  • 接受日期:  2020-08-31
  • 修回日期:  2020-08-21
  • 网络出版日期:  2020-09-04
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章