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ChemElectroChem:电化学视角下的金属锂负极2024-06-03
北京理工大学张存中课题组一直围绕电池安全性这个核心特征来考察多种复杂电极反应的选择性和动力学机理。基于实际条件下电极反应的表观行为和性能,借助电化学技术的独特优势来揭示影响电极反应表观性能的共性规律以及对表观性能有决定性影响的基元步骤,讨论并阐明了其中相关的物理化学原理,为提高优化策略的针对性和工作效率提供明确依据。

金属锂(Li)由于独特的优势成为构建高能量密度二次电池的重要负极材料。然而,金属锂负极在循环过程中伴随诸多复杂行为,导致金属锂二次电池(LMB)存在诸多问题,它们阻碍了LMB商业化进程。为解决这些问题,人们采用诸多先进技术获得了Li沉积层以及固态电解质界面膜(SEI)的微观形貌和丰富物理化学信息,并依据这些信息制定优化策略。目前的优化策略非常繁多但效果不一,原因在于Li+/Li氧化还原体系的电化学过程非常复杂,且人们对这个过程的认识还不够清晰。

众所周知,任何现象或事件的出现和存在都有其原因,而且原因就潜藏在其形成过程之中。即,过程导致了结果的产生;而且过程中一定存在一个或几个环节对复杂过程的走向、发展趋势和结局有着决定性的影响,称为决定性环节。找到并调控决定性环节,就可以改变事件发展趋势,实现预期结果。具体到化学/电化学反应,其表观行为和最终状态的形成过程就是反应机理。另外,任何事件的发生与时空条件、时空特征不可分离。基于以上认知,张存中课题组通过不同系列电解液人为凸显金属锂负极表观性能(例如:CE、极化程度)差异,借助微电极技术特有的时间和空间分辨能力,围绕“结局~动态过程”中心线索,揭示各种化学环境下的反应机理和基元步骤,并通过逐一比较各基元步骤动力学特征(时空条件及特征)与金属锂负极表观性能差异的关联程度,阐明了决定性基元步骤。

研究结果发现,电沉积过程中各个基元步骤对表观性能的影响程度顺序为:结晶步骤>界面电荷转移步骤>传质步骤和自腐蚀步骤。这为制定针对性的优化策略提供了清晰动力学依据。另外,文章通过比较高/低电压二次电池体系差异的决定性因素,澄清了电化学窗口的评价方法。同时,讨论辨析了利用宏观外加机械力改善沉积层的效果和依据,提出围绕“力”这一核心参数构建“双电层”结构的建议。

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文信息

Lithium Metal Anode in Electrochemical Perspective

Leping Wang, Prof. Feng Wu, Dr. Ying Yao, Dr. Cunzhong Zhang

ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202400019