Nat.commun.: 控制电位以抑制纳米线负极SEI膜的形成！

纳米人

2018-08-28

第一作者：Won Jun Chang

通讯作者：Won Il Park

通讯单位：韩国汉阳大学

核心内容：

1. 控制界面上的电位来抑制SEI膜的形成。

2. 使用原子级薄且离子渗透的PS来控制电位。

实现高效和超快充电电池的关键是开发具有大的储能容量，高的结构完整和稳定性以及快速电子/离子传输的电极材料。高容量材料（如Si，Ge和Sn）被广泛研究，但由于它们的体积变化大和电极表面上不稳定SEI的形成，往往在循环中容量衰减比较严重。设计特殊形貌的各种纳米结构可有效缓解由体积变化引起的应变，然由于负极暴露于电解质的表面积增大，产生与SEI稳定性的权衡。

为稳定负极上的SEI，通常设计形貌为包覆中空材料（如Si/SiOx纳米管）或中空的笼形纳米颗粒（如Si@C和Ge@C蛋黄-壳结构）。壳层通过防止电解质和负极之间的直接接触而提供用于稳定SEI形成的表面，而内部空隙允许负极材料的自由膨胀。

然而在每个纳米级核的大表面上存在壳/SEI层，增加了纳米结构之间的锂离子和电子传输的串联电阻。这种阻力在小电流循环下可以忽略不计，但在大电流下会出现问题。此外，大多数电化学反应受电位差或梯度的控制，因此可以探索控制电位来控制SEI，此法主要集中在物理界面本身。

有鉴于此，汉阳大学Won Il Park课题组通过控制电化学界面上的电位来抑制负极上形成SEI膜。

图1. 电化学界面设计电位的策略。

该课题组设计了将具有高密度的镍硅化物纳米线（NiSiNW）选择性地锚定在石墨烯微管（GrμTs）的内表面上（称为NiSiNWs@GrμT）。 GrμTs内部的电解质与外部电位负载电隔离，消除了在锂化期间驱动NiSiNW表面上形成SEI的电势差累积。

为了克服由SEI引起的基本限制，该课题组提出了一种新的设计概念，引入了潜在护套（PS）的薄壁，其在空间上和电上与电解质分离。高密度的NW固定在护套的内表面。尽管通过大面积的NW和内部电解质界面不会发生Li离子的插入和脱插，但是无SEI的NW表面提供了便于Li传输的路径，适合于超快的锂化/去锂化。

采用这种方式，NiSiNWs@GrμT表现出优异的性能，在20 C下循环2000次后，仍具有超过700 mAh g^-1的高比容量（84％的容量保持率）。此外，容量衰减显著降低，在80 C时比容量为780 mAh g^-1，容量保持率为88％以上（vs.1 C比容量）。

图2. NiSiNWs@GrμT的制备和结构分析。

图3. NiSiNWs@GrμT的电化学性能分析。

图4. 循环后NiSiNWs@GrμT的形貌和SEI表征。

此方法基于通用的电化学，因此适用于其他材料（如Si基负极）以进一步改善电化学性能，还可以用于其他电化学装置和组件。

参考文献：

Controlling electric potential to inhibit solid-electrolyte interphase formation on nanowire anodes for ultrafast lithium-ion batteries[J]. Nature Communications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-05986-9

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05986-9