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電極SEI膜形成的原理

SEI膜(mo)的(de)形(xing)成(cheng)過程主(zhu)要可分為兩種(zhong)情況:(1)表面覆蓋有原(yuan)始鈍化膜(mo)的(de)鋰電極(ji);(2)表面無原(yuan)始鈍化膜(mo)的(de)“裸鋰”。

鋰(li)(li)電極(ji)的表面(mian)總是(shi)覆蓋有一(yi)層原(yuan)始(shi)的鈍化膜(mo),光譜學(xue)方(fang)法研究(jiu)表明,鋰(li)(li)原(yuan)始(shi)表面(mian)膜(mo)具有雙層結構,外層主要(yao)由Li-0H-Li2C03組成(cheng),內層主要(yao)由Li20組成(cheng),在有機電解液中這一(yi)表面(mian)膜(mo)具有一(yi)定的穩定性。

電極SEI膜形成的原理

在鋰(li)電極(ji)與(yu)有機電解液的接觸過程中,鋰(li)電極(ji)表面原始膜(mo)的主(zhu)要組分(fen)(fen)Li20(內(nei)層)和LiOH、Li2003(外層)會與(yu)親電的溶劑分(fen)(fen)子如(ru)醚、烷基(ji)碳酸酯發生(sheng)親核反應,而使它部分(fen)(fen)地溶解在電解液中。

隨后表(biao)面(mian)膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)原始組(zu)分(fen)部分(fen)或(huo)全部地被金屬鋰(li)與電解液(ye)組(zu)分(fen)的(de)(de)(de)反應產物所取代,靠近金屬鋰(li)界(jie)面(mian)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)膜(mo)(mo)組(zu)分(fen)繼(ji)續(xu)發(fa)生(sheng)反應,在SEI膜(mo)(mo)靠近鋰(li)的(de)(de)(de)內側形(xing)成(cheng)(cheng)一(yi)層低氧(yang)化態(tai)(tai)組(zu)分(fen),而(er)外層的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)膜(mo)(mo)是一(yi)個動力學沉(chen)積(ji)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程,形(xing)成(cheng)(cheng)一(yi)些高氧(yang)化態(tai)(tai)的(de)(de)(de)組(zu)分(fen),同時由于一(yi)些表(biao)面(mian)組(zu)分(fen)的(de)(de)(de)溶解而(er)產生(sheng)多孔(kong)結構。在循環過(guo)(guo)程中,鋰(li)的(de)(de)(de)溶解會加速鋰(li)表(biao)面(mian)原始膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)破裂(lie),導致(zhi)金屬鋰(li)和(he)電解液(ye)之間的(de)(de)(de)劇烈的(de)(de)(de)反應。

由(you)于金屬鋰(li)(li)具(ju)有(you)(you)很強(qiang)的(de)(de)化學(xue)反(fan)應活(huo)性,因(yin)此一般(ban)表(biao)面(mian)(mian)無原始鈍化膜(mo)的(de)(de)“裸鋰(li)(li)”往往都是在(zai)(zai)電(dian)解液(ye)中現場制備獲(huo)得的(de)(de)鋰(li)(li)表(biao)面(mian)(mian)。當(dang)表(biao)面(mian)(mian)無鈍化層新制備的(de)(de)鋰(li)(li)電(dian)極暴露(lu)在(zai)(zai)有(you)(you)機電(dian)解液(ye)中時,所有(you)(you)的(de)(de)電(dian)解液(ye)組(zu)分都會(hui)(hui)毫無選擇(ze)(ze)地(di)與(yu)鋰(li)(li)電(dian)極發(fa)生還原反(fan)應,當(dang)一些還原產物已經沉積(ji)到鋰(li)(li)電(dian)極表(biao)面(mian)(mian)上(shang)后,它(ta)們將會(hui)(hui)阻礙這一過(guo)程,這樣進一步(bu)的(de)(de)反(fan)應將經由(you)電(dian)子傳遞(di)在(zai)(zai)比較有(you)(you)選擇(ze)(ze)性的(de)(de)條件下進行,這樣進一步(bu)還原的(de)(de)電(dian)解液(ye)組(zu)分將具(ju)有(you)(you)很高的(de)(de)選擇(ze)(ze)性,從而導(dao)致(zhi)鋰(li)(li)電(dian)極表(biao)面(mian)(mian)形成的(de)(de)SEI膜(mo)具(ju)有(you)(you)多層結構。

經由上述過(guo)程(cheng)(cheng)在鋰(li)(li)電(dian)極表面(mian)形成的(de)(de)(de)(de)SEI膜在隨(sui)后(hou)的(de)(de)(de)(de)存貯(zhu)過(guo)程(cheng)(cheng)中,其結構和組(zu)(zu)成還會(hui)發生進一(yi)步的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua),這些(xie)變(bian)(bian)化(hua)(hua)包括靠近鋰(li)(li)表面(mian)的(de)(de)(de)(de)表面(mian)組(zu)(zu)分還原以(yi)及水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散,使(shi)(shi)SEI膜組(zu)(zu)分水(shui)(shui)化(hua)(hua)。最后(hou)這一(yi)過(guo)程(cheng)(cheng)幾乎是不(bu)可(ke)避免的(de)(de)(de)(de),即使(shi)(shi)是在只含有10-5水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)電(dian)解液中也會(hui)發生,這是因(yin)為通(tong)常使(shi)(shi)用的(de)(de)(de)(de)電(dian)解液在鋰(li)(li)電(dian)極表面(mian)形成鈍化(hua)(hua)組(zu)(zu)分都(dou)是高(gao)度(du)吸濕的(de)(de)(de)(de),因(yin)此水(shui)(shui)會(hui)從電(dian)解液中滲透到SEI膜中,使(shi)(shi)其組(zu)(zu)分水(shui)(shui)化(hua)(hua),導致鋰(li)(li)電(dian)極循環性能(neng)的(de)(de)(de)(de)衰(shuai)減。同(tong)時(shi)水(shui)(shui)也會(hui)擴(kuo)散到鋰(li)(li)表面(mian)與(yu)鋰(li)(li)直接反應(ying)。

總(zong)之在(zai)(zai)(zai)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)解(jie)液中,鋰(li)(li)(li)(li)電(dian)(dian)極表面發生不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)表面的(de)(de)(de)(de)(de)反應(ying),這些反應(ying)與溶劑(ji)、鋰(li)(li)(li)(li)鹽(yan)、雜質(H20、H田等(deng))以(yi)及反應(ying)產(chan)物在(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)解(jie)液中的(de)(de)(de)(de)(de)溶解(jie)度有(you)(you)(you)關(guan),它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)過(guo)程是由溶劑(ji)、鋰(li)(li)(li)(li)鹽(yan)和雜質的(de)(de)(de)(de)(de)還原過(guo)程之間的(de)(de)(de)(de)(de)微妙(miao)平衡決定的(de)(de)(de)(de)(de),鋰(li)(li)(li)(li)電(dian)(dian)極表面最初形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)SEI膜一般都會經(jing)歷老(lao)化(hua)過(guo)程,而逐漸改變它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)和性(xing)能,SEI膜的(de)(de)(de)(de)(de)多相化(hua)學結構(gou)導致(zhi)了鋰(li)(li)(li)(li)沉積(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)均勻性(xing),在(zai)(zai)(zai)鋰(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)沉積(ji)(ji)光滑和(或(huo))立(li)即(ji)被(bei)SEI膜有(you)(you)(you)效鈍化(hua),鋰(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)循環效率就高。同時(shi)我們可(ke)以(yi)看出,不(bu)易吸(xi)濕的(de)(de)(de)(de)(de)SEI膜組(zu)分如(ru)Li2C03、LiF是實現(xian)對活性(xing)鋰(li)(li)(li)(li)電(dian)(dian)極有(you)(you)(you)效鈍化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)較好組(zu)分,因(yin)而在(zai)(zai)(zai)有(you)(you)(you)機(ji)電(dian)(dian)解(jie)液中存(cun)在(zai)(zai)(zai)Q02或(huo)少量的(de)(de)(de)(de)(de)HF能夠明顯改善鋰(li)(li)(li)(li)電(dian)(dian)極的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能。

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