北理工課題組在鋰金屬負極界面演化領域發表研究成果
發布日期：2023-04-17 供稿：前沿交叉科學研究院 攝影：前沿交叉科學研究院
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近日，北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授課題組在定量研究實用工況下鋰金屬負極動態腐蝕規律方面取得了重要進展。該研究成果以《Dynamic galvanic corrosion of working lithium metal anode under practical conditions》為題在線發表在材料類頂級國際期刊《Advanced Energy Materials》（《先進能源材料》，影響因子29.698）。本文的通訊作者為北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學材料學院/前沿交叉院博士研究生丁俊凡。
金屬鋰具有極高的理論比容量（3860 mAh g?1）和最負的電化學電位（?3.040 V vs. the standard hydrogen electrode），對于實現高比能電池具有至關重要的意義。然而，金屬鋰負極的實際應用一直受到其電化學性能的嚴重限制，這在很大程度上源于其對腐蝕的高度敏感性。由于金屬鋰的高反應活性，腐蝕副反應在表界面處不斷發生并導致嚴重的容量衰減，然而領域內目前對金屬鋰界面腐蝕規律認知仍相當匱乏。
北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授團隊在最新的研究工作中揭示了實用工作條件下金屬鋰負極動態電偶腐蝕機制，即在動態脫鋰過程中，鋰金屬中的電子轉移至漸進暴露的新鮮銅表面繼而還原電解液組分，產生擴展的固態電解質膜（SEI）并消耗活性鋰容量。此副反應在低脫鋰速率下更為顯著。通過耦合的先進表征技術，進一步闡明了動態脫鋰總步長、腐蝕電流衰減速率和SEI化學是影響動態電偶腐蝕程度的三個關鍵因素。
圖1 不同脫鋰電流密度下的電化學性能和非活性鋰損失定量表征
在傳統的認知之上，本研究的結果表明由于在實際的大容量工況和高庫倫效率（CE）電解液體系中，金屬鋰沉積層較致密，循環過程中腐蝕行為主要通過動態電偶腐蝕機制發生，而非常規認知的靜態過程。電化學測試、滴定氣相色譜和掃描電子顯微鏡結果表明在較低的脫鋰電流密度下，腐蝕副反應加劇，導致SEI Li+容量的提升以及CE的降低。
圖2 不同脫鋰電流密度下動態腐蝕電流測試
基于以上認識，該研究團隊提出一種改進方案來定量測試此漸進腐蝕過程。通過系統的動態腐蝕電流測量，闡明了動態脫鋰總步長、腐蝕電流衰減速率和SEI化學是調節動態電偶腐蝕程度的三個關鍵因素。低脫鋰速率下，延長的動態脫鋰總時間、緩慢的腐蝕電流衰減速率和有機多孔SEI共同導致動態腐蝕副反應的加劇。
圖3 不同脫鋰條件下實用鋰金屬負極動態電偶腐蝕路徑示意圖
該工作闡明了實用工況下金屬鋰動態腐蝕反應的真實途徑和內在影響因素，為減少腐蝕反應的發生、設計下一代高能量密度電池的高可逆性鋰負極提供了依據。
論文詳情：
Dynamic Galvanic Corrosion of Working Lithium Metal Anode Under Practical Conditions
Jun-Fan Ding, Rui Xu, Ye Xiao, Shuo Zhang, Ting-Lu Song, Chong Yan, Jia-Qi Huang*
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202204305
附作者簡介：
黃佳琦，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師，九三學社社員。主要開展高比能電池能源化學研究。發表SCI論文200余篇，其中70余篇為ESI高被引論文，H因子101。擔任中國顆粒學會理事，中國化學會能源化學專委會委員，J. Energy Chem., InfoMat, Chin. Chem. Lett., Energy Mater. Adv.等刊編委。曾獲評2022中國青年科技獎特別獎，2022中國顆粒學會自然科學一等獎，2018年中國顆粒學會青年顆粒學獎，2016年中國化工學會侯德榜化工科技青年獎等。2018-2022年連續入選科睿唯安全球高被引科學家。
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