核心內(nèi)容
1. 對(duì)氟化SEI的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)梳理，重點(diǎn)闡述了氟化SEI在高電壓金屬鋰電池體系中的應(yīng)用。
2. 從氟化SEI的基礎(chǔ)理解，溶劑分解所得氟化SEI和陰離子分解所得氟化SEI三個(gè)方面總結(jié)分析了氟化SEI的組成、結(jié)構(gòu)、特性，設(shè)計(jì)策略及實(shí)際應(yīng)用，指出氟化SEI在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化方面面臨的挑戰(zhàn)，并探討了解決挑戰(zhàn)的可能思路和方向，展望了未來(lái)的發(fā)展前景。
金屬鋰電池
二次電池極大地改變了我們的現(xiàn)代生活方式。2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校約翰·巴尼斯特·古迪納夫(John B. Goodenough)、美國(guó)紐約州立大學(xué)賓漢姆分校斯坦利·威廷漢（M.Stanley Whittingham） 和日本旭化成株式會(huì)社吉野彰(Akira Yoshino)三人獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們對(duì)鋰離子電池研發(fā)的貢獻(xiàn)。鋰離子電池已經(jīng)徹底改變了我們的生活，廣泛用于從手機(jī)到筆記本及當(dāng)代的電動(dòng)汽車(chē)。隨著鋰電池應(yīng)用的廣泛推廣，各種儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于二次電池的能量密度提出了更高的要求。
在諸多高比能體系中，將鋰金屬負(fù)極與高電壓正極匹配構(gòu)筑的二次鋰金屬電池廣受關(guān)注。然而，實(shí)用金屬鋰電池由于鋰枝晶的生長(zhǎng)而存在循環(huán)壽命短、安全性能差的問(wèn)題。鋰負(fù)極表面SEI不穩(wěn)定，容易形成鋰枝晶。構(gòu)建均勻SEI 是抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，提高電池循環(huán)壽命及安全性能的關(guān)鍵。
近年來(lái)，大量研究表明氟化 SEI 是一種保護(hù)金屬鋰負(fù)極的有效策略。氟化SEI在基礎(chǔ)理解層面為探究SEI 提供了一個(gè)很好的切入點(diǎn)。在與本文第一作者李滔博士和通訊作者張強(qiáng)教授交流之后，今天小編幫大家分析一篇最近剛發(fā)表在Joule期刊上的綜述與展望論文：高電壓金屬鋰電池中的氟化SEI，為相關(guān)的能源、材料、化學(xué)領(lǐng)域?qū)＜姨峁┭芯繀⒖肌?
金屬鋰電池面臨挑戰(zhàn)
鋰離子電池已在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，鋰離子電池系統(tǒng)受電極材料的理論容量制約，其能量密度難以進(jìn)一步提升，因而限制了鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前，商業(yè)化的鋰離子電池正極材料正在往高容量型的高鎳三元正極材料（如鎳鈷鋁 NCA）及富鋰錳基正極材料發(fā)展，負(fù)極材料則主要往硅碳復(fù)合負(fù)極發(fā)展。然而， NCA 與硅碳負(fù)極匹配所得鋰離子動(dòng)力電池體系的能量密度也只能達(dá)~300 Wh kg?1（當(dāng)前先進(jìn)水平），仍無(wú)法滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)續(xù)航里程的需求。因此，開(kāi)發(fā)下一代高容量電極材料成為提高二次電池能量密度的關(guān)鍵。
金屬鋰具有高達(dá) 3860 mAh g?1的理論比容量及?3.04 V 的電極電勢(shì)（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極），是構(gòu)建高比能電池的關(guān)鍵負(fù)極材料。在新型儲(chǔ)能系統(tǒng)中，基于金屬鋰負(fù)極的金屬鋰電池（如鋰硫電池 Li–S、鋰空氣電池 Li–O2、鋰-嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物電池 Li–LMO）因具有比現(xiàn)有商業(yè)化鋰離子電池更高的理論能量密度而有望成為下一代二次電池體系。例如，將傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負(fù)極替換成金屬鋰負(fù)極， 電池的能量密度將提升~50%。因此，安全、高效、穩(wěn)定利用金屬鋰負(fù)極是實(shí)現(xiàn)高比能金屬鋰電池實(shí)用化的必經(jīng)之路。
金屬鋰表面所形成的不均勻、易破碎的 SEI 是造成高壓金屬鋰電池循環(huán)壽命短及安全隱患的主要原因。構(gòu)建均勻、穩(wěn)定的 SEI 是高電壓金屬鋰電池實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的關(guān)鍵所在。近年來(lái)，大量研究表明氟化 SEI 是一種保護(hù)金屬鋰負(fù)極的有效策略。氟化SEI 的特點(diǎn)是其中含有大量的 LiF。LiF 主要由電解液中的氟代溶劑，添加劑，或者含氟的鋰鹽分解而來(lái)。由于 LiF 具有大的帶隙，低的 Li+擴(kuò)散能壘和高表面能，因此氟化 SEI 能夠有效阻擋電子的穿透以及促進(jìn) Li+的快速擴(kuò)散，從而減少金屬鋰與電解液之間的副反應(yīng)以及促進(jìn)鋰的均勻沉積。另一方面，氟代溶劑一般具有較寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，因而能夠與高電壓正極材料匹配。在高電壓金屬鋰電池中構(gòu)建氟化 SEI 成為近年來(lái)的一大發(fā)展趨勢(shì)（圖 1）。
內(nèi)容簡(jiǎn)介
日前，來(lái)自清華大學(xué)的張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)基于課題組近年來(lái)關(guān)于金屬鋰/電解液界面保護(hù)研究【1~5】，聚焦高電壓金屬鋰電池中的氟化SEI做了一項(xiàng)及時(shí)的綜述與展望研究。該文首先從組成、結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)的角度，總結(jié)了當(dāng)前對(duì)氟化SEI的基礎(chǔ)理解和認(rèn)識(shí)：組成上，LiF被認(rèn)為是氟化SEI中起關(guān)鍵作用的主要成分；結(jié)構(gòu)上，通過(guò)冷凍電鏡觀察到氟化SEI為多層結(jié)構(gòu)。特定的組成及結(jié)構(gòu)賦予了氟化SEI一些特殊的性質(zhì)，如低的 Li+擴(kuò)散能壘和高表面能，優(yōu)異的電子阻隔作用以及良好的機(jī)械性能。接著，該文根據(jù)氟的來(lái)源將氟化SEI 分為溶劑分解所得氟化 SEI 和陰離子分解所得氟化 SEI，并對(duì)兩種氟化SEI的設(shè)計(jì)原則、形成機(jī)理及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)。
文章最后探討了氟化SEI策略的進(jìn)一步發(fā)展，特別是基礎(chǔ)研究和商業(yè)化應(yīng)用面臨的一些挑戰(zhàn)，提出了未來(lái)的可能的發(fā)展方向。隨著氟化界面設(shè)計(jì)策略的進(jìn)一步發(fā)展，以及與其它金屬鋰負(fù)極保護(hù)策略相結(jié)合，氟化SEI將極大的推進(jìn)高電壓金屬鋰電池的發(fā)展，同時(shí)對(duì)鋰金屬電池中氟化SEI的全面了解，也可以對(duì)其它電池體系中SEI的設(shè)計(jì)有所啟發(fā)，從而促進(jìn)下一代電池的發(fā)展。
圖 1. 高電壓金屬鋰電池中的氟化SEI。
要點(diǎn)1：氟化SEI的發(fā)展簡(jiǎn)史
氟化SEI的研究起源于鋰離子電池。首先，氟代碳酸酯類(lèi)溶劑是基于石墨負(fù)極鋰電池的成膜添加劑；隨后，研究者發(fā)現(xiàn)氟化SEI對(duì)硅負(fù)極、鈉離子電池及鋰硫電池的性能都有明顯的提升。圖2簡(jiǎn)要概括了氟化SEI在鋰離子電池和高壓鋰金屬電池中的發(fā)展史，列出了氟化SEI發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵性突破時(shí)間節(jié)點(diǎn)：（1）溶劑分解所得氟化SEI的發(fā)展過(guò)程：氟代溶劑首先作為添加劑應(yīng)用于鋰金屬電池，隨后用作共溶劑，以及全氟電解液的提出；（2）鋰鹽分解所得氟化SEI的發(fā)展過(guò)程：逐漸由高濃度電解液向局部高鹽電解液發(fā)展。
圖2.氟化SEI在鋰離子電池和高壓鋰金屬電池中的發(fā)展史。
要點(diǎn)2：兩種氟化 SEI
電解液中氟代溶劑與含氟陰離子共同參與鋰離子的溶劑化，且含氟陰離子參與溶劑化的程度與電解液的濃度相關(guān)。氟化SEI的組成來(lái)源于電解液中氟代溶劑及含氟陰離子的化學(xué)/電化學(xué)分解。因此從氟的主要來(lái)源可以將氟化SEI劃分為兩大類(lèi)：氟代溶劑分解所得氟化SEI（圖3 a）和鋰鹽中陰離子分解所得氟化SEI（圖3 b）。
圖3. 兩種氟化 SEI：(a) 溶劑分解所得氟化 SEI，(b) 陰離子分解所得氟化 SEI。
要點(diǎn)3：氟化SEI的基礎(chǔ)理解
氟化SEI的組成及結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了氟化SEI的離子擴(kuò)散、界面能、空間阻抗以及機(jī)械性能等理化性質(zhì)。組成上，LiF被認(rèn)為是氟化SEI中起關(guān)鍵作用的主要成分。Archer等研究表明，鹵素陰離子，尤其是氟離子，可大大增加SEI的表面擴(kuò)散系數(shù)。Zhang等通過(guò)模型體系表明，SEI中的LiF可以誘導(dǎo)鋰的均勻形核與生長(zhǎng)，使鋰呈規(guī)則的柱狀生長(zhǎng)（圖4 a）。Mashayek等通過(guò)理論計(jì)算表明，氟化SEI中鋰離子在LiF/Li2O異質(zhì)晶界間的擴(kuò)散要快于LiF/LiF 及 Li2O/Li2O等均質(zhì)晶界（圖4 b）。結(jié)構(gòu)上，Cui等通過(guò)冷凍電鏡觀察到氟化SEI為多層結(jié)構(gòu)（圖4 c）。相比于馬賽克結(jié)構(gòu)的SEI，層狀結(jié)構(gòu)的氟化SEI中鋰的脫出更加均勻，從而減少死鋰的生成（圖4 d）。
事實(shí)上，當(dāng)前對(duì)氟化SEI的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這主要是由于常規(guī)的非原位表征中很難維持其初始狀態(tài)。氟化SEI的組成、結(jié)構(gòu)與其物理化學(xué)性質(zhì)間的關(guān)聯(lián)還有待進(jìn)一步指認(rèn)，這對(duì)于SEI的進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。理論計(jì)算與先進(jìn)表征技術(shù)的發(fā)展將有利于對(duì)氟化SEI的全面理解。
圖4. 當(dāng)前對(duì)氟化SEI組成及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理解和認(rèn)識(shí)。
要點(diǎn)4：氟代溶劑分解所得氟化 SEI
理論上，氟代溶劑由于具有更低的LUMO因而會(huì)優(yōu)先在負(fù)極表面發(fā)生還原分解產(chǎn)生LiF。在眾多線狀和環(huán)狀碳酸酯中，F(xiàn)EC是一種代表性的高效氟代溶劑，常被用于構(gòu)筑氟化SEI。FEC作為添加劑可使鋰負(fù)極表面形成均勻穩(wěn)定的氟化SEI。FEC作為添加劑的效果往往由于很快被消耗而減弱，為此Aurbach及Sun等進(jìn)一步將FEC作為共溶劑（圖5 a）【5】。以FEC為共溶劑，Li| NMC622電池在苛刻的實(shí)際條件下（正極面載量：3.3 mAh cm?2，超薄鋰：50 μm，電解液量：50 μL）表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能。為了在SEI中引入更多的LiF以及增強(qiáng)電解液的阻燃性，Wang, Xu, Amine等提出了一種能與5-V正極兼容的全氟電解液。SEI及CEI中大量的LiF有效抑制了鋰負(fù)極枝晶的生長(zhǎng)以及電解液在正極的分解（圖 5 b）【6】。
因此，在該氟化 SEI 及 CEI 的保護(hù)下，Li |NMC811 和Li | LiCoPO4儲(chǔ)能體系都表現(xiàn)出優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，大量的氟可以抑制燃燒過(guò)程中氧自由基的擴(kuò)散，從而加強(qiáng)電解液的阻燃性。由于 SEI 的組成來(lái)源于鋰離子溶劑化層的還原分解，因此，可通過(guò)調(diào)控鋰離子的溶劑化層來(lái)調(diào)控SEI 的物理化學(xué)性質(zhì)。FEC 與 NO3-共同參與鋰離子的溶劑化層（圖 5 c），它們分解所得 SEI 含有大量的 LiF 和 LiNxOy，這有利于鋰的均勻沉積以及軟包電池的穩(wěn)定循環(huán)?；诜?SEI 中 LiF 與其它無(wú)機(jī)組分之間潛在的協(xié)同作用，可通過(guò)調(diào)控鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)來(lái)賦予 SEI 一些獨(dú)特的性質(zhì)。
實(shí)際上，并非所有含氟溶劑都能分解形成LiF。氟代溶劑分子中只有特定位置的氟才能形成氟化SEI，氟代溶劑的反應(yīng)活性與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)還有待進(jìn)一步探究。此外，LiF不是決定SEI性質(zhì)的唯一成分，LiF與其它無(wú)機(jī)組分之間的協(xié)同作用將是一個(gè)新的發(fā)展方向。
圖5. 氟代溶劑分解所得氟化 SEI。
要點(diǎn)5：陰離子分解所得氟化 SEI
含氟鋰鹽的分解同樣可以為氟化 SEI 的形成提供氟源，尤其是這些鋰鹽的高濃度電解液（HCE）。與傳統(tǒng)稀電解液的一個(gè)主要區(qū)別在于 HCE 中幾乎沒(méi)有自由溶劑分子，且陰離子參與鋰離子的溶劑化（圖 6 a）【7】。HCE 中獨(dú)特的溶劑化結(jié)構(gòu)使得陰離子優(yōu)先分解，形成一層陰離子分解所得的氟化 SEI。為了驗(yàn)證陰離子分解所得氟化 SEI 對(duì)金屬鋰電池的保護(hù)效果，Wang 等研究了 10.0 M LiFSI-EC/DMC 電解液在高壓金屬鋰電池中的SEI（圖 6 b）。
DTF計(jì)算表明， HCE 中 LiFSI 具有比溶劑分子更低的 LUMO 從而先于溶劑分子的分解（圖 6 c）。該 HCE 中所形成的氟化 SEI 能使Li | NMC622 電池穩(wěn)定循環(huán)。考慮到不同陰離子之間的協(xié)同作用，多種陰離子分解所得 SEI 可能具有較好的綜合性質(zhì)。Zhang，Xu 等設(shè)計(jì)了一種雙鹽高濃度電解液（4.0 M LiDFOB-LiTFSI 溶于 DME），該電解液的分解可形成一層富含 LiF 及含硼物質(zhì)的 SEI。在該SEI 的保護(hù)下，Li | NMC 表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。
為了克服HCE 粘度大、成本高的缺點(diǎn)，Zhang等提出了一種局部高濃度電解液（LHCE）， 通過(guò)加入一種惰性溶劑來(lái)稀釋 HCE。Zhang 等報(bào)導(dǎo)了一種以雙三氟乙基醚（BTFE）為稀釋劑的 LHCE（1.2 M LiFSI/DMC-BTFE, 摩爾比為 1:2）【8】。該 LHCE 中形成的氟化 SEI 可促使鋰以緊密塊狀形式沉積，從而在高壓金屬鋰電池中獲得高的庫(kù)倫效率及穩(wěn)定的循環(huán)性能。為了利用醚類(lèi)溶劑與金屬鋰的良好兼容性，Zhang，Xu 等報(bào)導(dǎo)了一種能在高壓金屬鋰電池中應(yīng)用的醚類(lèi) LHCE（LiFSI-1.2DME-3TTE，摩爾比，其中 TTE（1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚）為稀釋劑）（圖6 d）。
該電解液中所得氟化 SEI 可使 Li | NMC811 在苛刻的實(shí)際條件下展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。陰離子分解所得氟化 SEI 還可以規(guī)避阻燃溶劑（比如含磷酸根的溶劑）與金屬鋰的不兼容性，從而使得磷系溶劑可以在金屬鋰電池中應(yīng)用。Zhang等設(shè)計(jì)了一種阻燃型 LHCE（LiFSI-1.33TEP-4BTFE,摩爾比）（圖6 e）。FSI 分解所得氟化 SEI 有效較少了金屬鋰與 TEP 之間的副反應(yīng)，從而使 Li | NMC622 在該 LHCE 電解液中表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
陰離子分解所得氟化SEI是溶劑分解所得氟化SEI之外的另一種高效氟化SEI，兩者在組成、結(jié)構(gòu)及離子輸運(yùn)機(jī)制方面的異同點(diǎn)還有待進(jìn)一步探究。此外，含氟陰離子與溶劑或者其它陰離子之間的協(xié)同作用有可能賦予SEI優(yōu)良的綜合性質(zhì)，這為氟化SEI的設(shè)計(jì)提供了很大空間。
圖6. 鋰鹽中含氟陰離子分解所得氟化SEI。
挑戰(zhàn)與展望
高電壓金屬鋰電池是當(dāng)前很有應(yīng)用前景的高比能電池體系。高電壓金屬鋰電池中活躍的界面化學(xué)給電極/電解液界面的穩(wěn)定性帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。研究表明，構(gòu)筑氟化SEI是一種應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)非常有效的策略。同時(shí)，氟化SEI在基礎(chǔ)理解層面為探究SEI 提供了一個(gè)很好的切入點(diǎn)。過(guò)去幾年中，氟化SEI的研究取得了很多突破性進(jìn)展，然而在基礎(chǔ)理解以及實(shí)際應(yīng)用方面仍有一些挑戰(zhàn)需要進(jìn)一步研究：
1）氟化SEI的具體形成路徑；
2）氟化SEI中鋰離子擴(kuò)散機(jī)理；
3）氟化SEI的動(dòng)態(tài)演變特征；
4）先進(jìn)表征方法；
5）氟化SEI在實(shí)際應(yīng)用條件下的效果；
6）新氟代溶劑與鋰鹽的研發(fā)；
7）氟化SEI在其它電池體系中的應(yīng)用；
8）大規(guī)模應(yīng)用中，氟代溶劑與鋰鹽的成本、毒性、長(zhǎng)期存儲(chǔ)性能以及環(huán)保問(wèn)題。
小結(jié)
1）對(duì)氟化SEI的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)梳理，重點(diǎn)闡述了氟化SEI在高電壓金屬鋰電池體系中的應(yīng)用；
2）從氟化SEI的基礎(chǔ)理解，溶劑分解所得氟化SEI和陰離子分解所得氟化SEI三個(gè)方面總結(jié)分析了氟化SEI的組成、結(jié)構(gòu)、特性，設(shè)計(jì)策略及實(shí)際應(yīng)用
3）指出氟化SEI在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化方面面臨的挑戰(zhàn)，并探討了解決挑戰(zhàn)的可能思路和方向，展望了未來(lái)的發(fā)展前景。
氟化SEI是一種極具發(fā)展前景的金屬鋰負(fù)極保護(hù)策略，但目前還處于初級(jí)階段。先進(jìn)的表征技術(shù)將有助于加強(qiáng)對(duì)氟化SEI的基礎(chǔ)理解，氟化SEI與其它策略相結(jié)合將共同促進(jìn)高壓鋰金屬電池的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)對(duì)鋰金屬電池中氟化SEI的全面了解，也可以對(duì)其它電池體系中SEI的設(shè)計(jì)有所啟發(fā)，從而促進(jìn)下一代電池的發(fā)展。
近年來(lái)，清華大學(xué)張強(qiáng)教授研究團(tuán)隊(duì)在能源材料化學(xué)領(lǐng)域，尤其是金屬鋰負(fù)極、鋰硫電池和電催化開(kāi)展研究工作。在金屬鋰負(fù)極的研究領(lǐng)域，其通過(guò)原位手段研究固態(tài)電解質(zhì)界面膜，并采用納米骨架、人工SEI、表面固態(tài)電解質(zhì)保護(hù)調(diào)控金屬鋰的沉積行為，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)金屬鋰的高效安全利用。這些相關(guān)研究工作發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Chem, Joule, Matter,PNAS, Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Energy Storage Mater.等期刊。該研究團(tuán)隊(duì)在鋰硫電池及金屬鋰保護(hù)領(lǐng)域申請(qǐng)了一系列發(fā)明專(zhuān)利。
原文鏈接
Li T, Zhang XQ, Shi P, Zhang Q. Fluorinated Solid Electrolyte Interphasein High-Voltage Lithium Metal Batteries. Joule 2019.
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30482-9
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