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锂离子电池负极表面固体电解质膜的多尺度计算模拟研究进展

 固体电解质膜(SEI)是影响有机液态锂离子电池稳定性、倍率性能和循环寿命的关键因素,由于其复杂的成分结构及动态的固液界面,仅从实验上难以清晰地给出其结构成分特征、离子/电子传导特性、化学/电化学稳定性等物理图像,急切需要结合理论模拟来全面深入理解上述性质,进而加速SEI膜的改性研究进程。本文以SEI的形成、原位改性、性能预测和设计为主线,系统评述了近三十年SEI的多尺度计算模拟研究进展:综述了常见电解质溶液EC、VC、FEC还原形成SEI及利用添加剂进行改性的理论模拟研究;围绕电子隧穿、离子电导、界面电化学/化学/力学稳定性等问题,揭示了SEI理性设计的发展历程;阐明了融合不同时间-空间尺度模拟方法开展SEI综合性能理解并进行性能预测、添加剂筛选及高效SEI膜设计的必要性。

【成果先容】

近日,上海大学的施思齐教授与密歇根州立大学的Yue Qi教授以及中国科学院物理研究所的李泓研究员在npj computational materials合作发表题为“Review on modeling of the anode solid electrolyte interphase (SEI) for lithium-ion batteries”的专题综述文章,文章概括了近年来利用多尺度计算模拟方法对锂离子电池负极SEI膜的理解、预测与设计,详细综述了SEI的形成过程、形成原理及改性方法。

这篇专题综述是编辑对其相关研究领域进行的综述总结,以计算类文章为主,并结合个人研究观点对领域内的热点难点进行了分析概述。文章第一编辑为上海大学材料科学与工程学院的在读博士王爱平(Aiping Wang),自2016年师从上海大学施思齐教授以来,一直致力于电化学能量存储材料的物理基础和微观设计研究。

【图文导读】

1 概要

1.1 锂离子电池中的固态电解质膜(solid electrolyte interphase, SEI)

自从1991年SONY企业商业化生产出可充电锂电池以来,锂离子电池能量密度以每年5 Wh˙kg-1的速度增长着,目前已达到160 Wh˙kg-1,处于瓶颈状态,限制锂离子电池性能的一个重要困难是其复杂的电极/电解质界面,界面处不稳定的电化学平衡通常会导致固体电解质膜(SEI)的产生。SEI膜主要可看作双层结构,靠近电极界面的无机层(Li2CO3, LiF, Li2O)及电解液侧的半有机/有机层(dilithium ethylene glycol dicarbonate (Li2EDC) and ROLi, where R depends on the solvent),除相对宏观的双层结构外,整个SEI膜还存在着复杂且不均匀的马赛克结构。

图1a揭示了SEI膜产生的基本原理,即电极电位与电解质电化学窗口的不完美匹配,常见电解质溶液的LUMO均高于嵌锂石墨(~ 0.1 eV)和锂金属(0 eV)氧化还原电位所对应的的能量值,因而SEI的产生不可避免。图1b为常见电解质溶液成分的理论预测电位。


(Copyright: American Chemical Society).

图2总结了五十多年来对SEI膜微结构、成分及性能理解认识过程中的里程碑工作。


(Copyright: The Electrochemical Society).

(Copyright: Elsevier B.V.)

(Copyright: American Chemical Society)

(Copyright: Royal Society of Chemistry)

(Copyright: John Wiley & Sons)

1.2 锂离子电池SEI设计面临的挑战

图3刻画了石墨电极、合金化电极、锂金属电极在充放电循环中的SEI特征及其变化,不同的电极材料对SEI的性能要求存在重要差异,在SEI的改性设计过程中需充分考虑电极材料特性。


(Copyright: The Electrochemical Society).

1.3 综述概要: 负极表面SEI的模拟

第二部分先容SEI的初始形成机制;基于第二部分形成原理上的理解,第三部分先容电解质添加剂改性(“in-vivo” design)SEI的计算预测工作;第四部分综述已知SEI成分的具体性能,并将其与电池体系的性能老化联系起来,第五部分先容非原位(“in-vitro” design)SEI的设计。

2 电解质溶液还原机制的模拟

2.1 EC溶剂分解机制

2.1.a EC分解电位的预测

表1总结了EC在不同断键情况下的分解反应路径及可能产物。


图4先容了第一性原理分子动力学(AIMD)及经典分子动力学(eReaxFF反应力场)预测EC还原反应路径的比较,能够准确描述电荷转移是经典MD反应力场模拟方法在时间尺度上的精细化。


(Copyright: The Electrochemical Society)

(Copyright: American Chemical Society).

图5总结了两种预测电解质溶液氧化还原电位的方法。


(Copyright: American Chemical Society)

(Copyright: American Chemical Society).

2.1.b EC还原反应动力学预测

EC的单电子、双电子还原过程存在动力学依赖性,受充放电速率、电解质溶液成分、电极电位等因素的影响,进而影响最终产物的形成。

图6给出了动力学条件对SEI成分的影响情况。


(Copyright: Elsevier B. V.).

2.2 走向真实电解质溶液––其他溶剂/盐对SEI的影响

2.2.a 电解质溶液成分的还原电位

电解质溶液的任何单一成分(含溶剂及锂盐)均有其特定的分解电位,存在不同的优先级,且还原电位受Li+影响,当考虑Li+-solvent络合物时,还原动力学过程将发生变化。

2.2.b 锂研绿丫┯槔质只骢离子影响

反应式(1) (2) (3)以LiPF6为代表说明锂盐对电解质溶剂还原可能产生的作用。

LiPF6 → LiF + PF5 (1)

LiPF6 + H2O → LiF + POF3 + 2HF (2)

EC + POF3 → CO2 + CH2FCH2OPF2O (3)

2.2.c 溶剂化结构的影响

SEI的生成与Li+溶剂化结构、成分、电极电位密切相关,其局部的变化将对电解质溶液的还原电位和动力学产生重要影响,如常见的还原电位、成分与电解质浓度的相关性。

2.3 负极表面状态的影响

不同的负极材料,如石墨、锂金属、合金化材料,同一材料的嵌锂程度、晶体学表面,同一表面的表面配位基团的均会对EC还原路径、电位及产物产生影响。此外,电极表面电位可调节其表面的电解质成分结构,进而影响其反应过程。

2.4 纳米尺度SEI膜

SEI膜的生长方式可分为两种:一是表面(‘surface-mediated’)机制,二是溶液(‘solution-mediated’)机制。

图7即为一种基于自由基电子转移机制预测的可超越电子隧穿距离的溶液生长模型:“近表面聚集方式”(‘near-shore aggregation’)生长。


(Copyright: The Electrochemical Society).

图8结合经典分子动力学及蒙特卡洛方法给出了纳米尺度的SEI“表面生长”模型。


(Copyright: American Chemical Society)


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