质料基因组院刘杨、郭炳焜教授团队联合江汉大学王德宇教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》上揭晓了锂金属负极原位自修复SEI膜的研究效果

克日，，，，，，威廉希尔质料基因组工程研究院先进能源质料研究所刘杨、郭炳焜团队联合江汉大学王德宇教授团队在国际着名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上揭晓题为“Binding FSI?to Construct a Self-Healing SEI Film for Li-Metal Batteries by In-situ Crosslinking Vinyl Ionic Liquid”的研究论文。。。
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。该事情接纳具有乙烯基的咪唑阳离子-双氟磺酰亚胺盐的离子液体（1-乙烯基-3-甲基咪唑双氟磺酰亚胺盐，，，，，，VMI-FSI）与聚环氧乙烷（PEO）在锂金属外貌举行原位的光聚合交联，，，，，，形成一种具有大分子阳离子骨架、约束FSI-阴离子修复剂的聚合物膜（V-film，，，，，，如图1所示）。。。
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。通过膜中FSI-阴离子与锂金属的化学反应和电解液中FSI-阴离子的电化学反应在锂金属负极爆发大宗稳固的无机物，，，，，，如LiF、Li₃N等，，，，，，修复SEI膜的破损。。。
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图1 本事情中修建的人工SEI膜和作用机理示意图

具有高比容量~3860 mAh g^-1和低还原电位-3.04 Vvs.SHE的锂金属一直被以为是高比能电池中理想的负极质料。。。
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。但其生动的热力学和电化学性子，，，，，，使其与电解液一接触就爆发化学反应，，，，，，在后续充放电历程中又爆发一系列的电化学反应。。。
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。上述反应形成了初始的SEI膜，，，，，，但其在重复的锂沉积/剥离的历程中无法应对锂金属负极的体积转变，，，，，，从而爆发不可阻止的机械破损。。。
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。尤其是在大电流密度和长循环历程中，，，，，，这种膜的一直破碎、剖析和重构，，，，，，是造成锂金属负极库伦效率低和循环寿命短的主要因素。。。
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。具有弹性的人工SEI膜可在一定水平上应对此问题，，，，，，但长循环历程中仍然有锂枝晶的生长并刺穿SEI膜。。。
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。因此，，，，，，在负极外貌修建一种具有自修复功效的SEI膜是延伸锂金属负极寿命的须要战略。。。
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在本事情中，，，，，，作者设计了一种新颖的具有自修复功效的SEI膜，，，，，，有用提高了锂金属电池的循环性能。。。
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。鉴于FSI-阴离子能在锂负极上爆发大宗的稳固无机组分如LiF和Li3N，，，，，，可有用地钝化锂金属，，，，，，适用作自修复剂
；；乙烯基阳离子通过聚合可以在负极上形成稳固的SEI膜，，，，，，且咪唑离子液体与电极具有优异的相容性，，，，，，因此接纳VMI-FSI离子液体和PEO举行光聚合交联，，，，，，形成聚合物阳离子框架，，，，，，使用离子键约束FSI-的一种新颖的自修复SEI膜。。。
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。该自修复V-film膜应用在正极负载量为16.3 mg cm^-2的LiCoO₂/Li电池中，，，，，，能使电池在3.0~4.5 Vvs.Li⁺/Li之间稳固循环500周，，，，，，仍有81.4 %的剩余容量，，，，，，平均库伦效率高达99.97 %，，，，，，累积面容量抵达 ~1240 mAh cm^-2（如图2所示）。。。
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图2 LiCoO₂/Li全电池在(a-c)3.0-4.6 Vvs.Li⁺/Li规模内的循环性能，，，，，，(d-f) 3.0-4.5 Vvs.Li⁺/Li规模内的循环性能

作者接纳FTIR和XPS等要领检测了所形成V-film膜的化学组成，，，，，，推测了聚合反应的历程，，，，，，研究了锂金属与FSI-阴离子的自觉化学反应历程，，，，，，证实了FSI-阴离子的自修复功效。。。
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。通过实验和理论的连系，，，，，，展现了在V-film外貌有少量FSI-阴离子与PF₆-阴离子爆发离子交流，，，，，，交流后的FSI-阴离子通过电化学反应，，，，，，在膜的外侧天生大宗无机组分，，，，，，增强SEI膜的稳固性，，，，，，同时修复膜的破损（如图3所示）。。。
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。通过SEM连系电化学要领CV、Tafel、EIS等，，，，，，视察了V-film对Li⁺离子沉积行为和动力学的影响。。。
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。最后测试了V-film在全电池中的电化学性能。。。
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图3 (a)FSI-阴离子在膜内和电解液中的行为示意图，，，，，，(b)FSI-阴离子与聚合物阳离子、溶剂化Li+离子和溶剂化层之间的作用力较量，，，，，，(c-j)V-film涂覆锂负极在差别沉积量下的外貌和截面的SEM图，，，，，，(k-n) V-film涂覆锂负极的截面EDS图

该研究效果于2024年2月份揭晓于《Angewandte Chemie International Edition》上，，，，，，论文第一作者为质料基因院2020级博士生秦银平，，，，，，曾获得研究生国家奖学金，，，，，，校长奖学金和宝钢优异学生奖，，，，，，配合通讯作者为刘杨副研究员、郭炳焜教授和王德宇教授。。。
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本文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202402456