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Angew. Chem. :锂离子电池中由界面LiH引发的Ge阳极的容量退化2023-09-06
便携式电子设备和新能源汽车的不断发展对锂离子电池的能量/功率密度和循环寿命提出了越来越高的要求,而硅、锗、锡等具有较高比容量的合金类负极是构筑高能量密度电池的理想负极材料。尤其是锗负极,兼具高比容量以及优异的倍率性能。

然而,锗负极在实际应用中面临着循环稳定性较差的问题,而深入探究锗负极的失效机制是解决锗负极循环稳定性问题的的基础和关键。以往研究主要认为合金类负极失效的重点在于体积形变带来的活性材料粉化以及活性锂损失,但是因为锗锂化时的弱各向异性使得其结构并不像硅类材料一样脆弱,所以该失效机制并不完全适用于锗负极。目前,针对锗负极失效问题尚无其他合理解释。

近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所的崔光磊研究员、董杉木研究员等人通过on-line质谱分析技术结合高分辨透射电镜以及与电化学性能的关联分析,追踪了锗负极界面上LiH的演化规律并首次确认Li4Ge2H是锗SEI的关键成分,成功揭示了导致锗负极失效的一个重要原因——氢化锂和锗之间的不断反应所造成的差导电相Li4Ge2H的不断累积。

 

 

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在循环过程中,伴随着Li4Ge2H在锗颗粒上的不断累积,SEI显著增厚。经试验验证,累积的Li4Ge2H会严重干扰负极的离子输运和电子传输,进而导致负极活性材料失效、活性锂损失,恶化锗负极的循环稳定性。

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研究表明锗负极中氢化锂与锗的电化学行为呈现明显关联性,MS结果表明氢化锂在锗负极锂化时累积,脱锂时减少。而这正是因为氢化锂和锗相(脱锂态)之间的反应造成的。

 

 

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该研究通过建立关键SEI成分的化学演化与电池性能退化之间的精确关联,展示了一种全新的锗负极故障机制,这有助于推动长循环高能量密度锂离子电池基于锗的负极材料的实际应用。

文信息

Revealing Capacity Degradation of Ge Anodes in Lithium-Ion Batteries Triggered by Interfacial LiH

Guodong Chen, Jinran Sun, Jiedong Li, Dr. Xiaofan Du, Gaojie Xu, Prof. Shanmu Dong, Prof. Guanglei Cui

文章的第一作者是中国科学院青岛生物能源与过程研究所的陈国栋(博士研究生)和孙金燃(博士研究生)。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202306141

 

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