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?北理黃佳琦AEM:溫度介導的動態鋰損耗及其對鋰金屬陽極的影響

鋰(Li)金屬一直被視為下一代高能量密度電池的最終陽極選擇。然而,活性鋰的大量損耗導致庫侖效率較低,這在很大程度上阻礙了鋰金屬電池在寬溫度范圍內的實際運行。
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圖1.?活性鋰在不同溫度下的動態損耗
北京理工大學黃佳琦等通過滴定氣相色譜儀測試,定量解耦了溫度介導的非活性鋰在-20至60℃范圍內的動態增長。X射線光電子能譜、冷凍透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡相結合的方法表明,固體電解質界面層(SEI)的特性和鋰沉積的致密性都可以通過工作溫度進行深度調節。
研究發現,溫度的升高會從根本上加劇寄生反應,惡化SEI的空間均勻性,但卻會通過動力學原因促進鋰的橫向生長。溫度對SEI特性和鋰沉積致密性的相反影響可以正確解釋在滴定氣相色譜儀測試中觀察到的SEI-Li+增長率和死Li0容量損失的復雜溫度依賴性,這對設計更穩定、可逆性更高的鋰金屬陽極具有重要意義。
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圖2.?首次鋰沉積后SEI的結構和組成
總體而言,該工作闡明了工作溫度對SEI特性和Li沉積致密性的相互作用,它們決定了SEI-Li+和死Li0的生長速率。盡管SEI結構相對較薄且均勻,但低溫下不規則樹枝狀鋰沉積模式具有高縱橫比和大表面積的特點,這導致鋰剝離不完全和副反應加劇,從而導致kLi0和kSEI Li+相當大。在高溫條件下,更緊湊的結節狀鋰沉積導致死Li0的增長速度減慢,而副反應的加速則導致kSEI Li+略高于室溫條件下的水平。溫度對SEI特性和鋰沉積模式的相反影響恰好解釋了SEI-Li+和死Li0隨溫度變化的復雜生長模式。因此,SEI形成反應的適度反應性和緊湊的鋰沉積模式基本上都是最小化非活性Li的形成所必需的,這為高能量密度鋰金屬電池的可逆循環鋪平了道路。
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圖3.?不同溫度和循環深度下動態活性鋰損失的示意圖
Temperature-Mediated Dynamic Lithium Loss and its Implications for High-Efficiency Lithium Metal Anodes. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202303726

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