過渡金屬(TM)氧化物正極具有能量密度高、倍率性能優(yōu)異、成本低等特點，廣泛應用于鋰離子電池。然而，在循環(huán)過程中，過渡金屬離子從正極溶解進入電解液，隨后通過電遷移到達負極附近并沉積在負極顆粒表面的界面膜(SEI膜)上，這一過程稱為串擾效應。已有研究表明，過渡金屬離子可能破壞并重構負極SEI膜，引發(fā)負極界面持續(xù)增長，導致電池容量衰減，但潛在機制存在爭議。因此，明確過渡金屬離子在電解液中的存在方式，在負極側(cè)的沉積形式與在SEI膜中的組成，以及過渡金屬離子如何誘導SEI膜增長，對于理解串擾效應對SEI膜性質(zhì)及鋰離子電池性能的影響至關重要。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究團隊，采用冷凍電鏡技術，剖析過渡金屬離子Fe(來自LiFePO4正極)和Mn(來自含Mn氧化物正極)的串擾效應，發(fā)現(xiàn)了一些共性問題。過渡金屬離子進入電解液后，優(yōu)先與電解液中的溶劑配位形成類似“溶劑-TM”，提高了電解液還原電位，并催化電解液發(fā)生雙電子還原反應，使過渡金屬離子以有機絡合物形式沉積在SEI膜中。過渡金屬離子對電解液分解具有催化作用，導致更多副反應發(fā)生和額外氣體釋放，破壞SEI膜完整性，使得電解液不斷滲透至負極表面進而被分解。因此，在循環(huán)過程中，持續(xù)的界面副反應消耗活性鋰離子，致使SEI膜呈現(xiàn)出“自下而上”生長模式。同時，增厚引起電池極化增加。研究還證實，過渡金屬離子價態(tài)越高，對電解液的催化作用越顯著，產(chǎn)氣越多，導致SEI膜增長速度加快，使電池性能衰減越快。
團隊基于對過渡金屬離子在電池退化中作用機制的理解，提出兩個降低有害影響的策略。一是采用與過渡金屬離子結合能較低的溶劑作為電解液成分;二是在電池化成階段構建具有更優(yōu)電子絕緣性的致密SEI膜，以抑制溶劑化過渡金屬離子向負極擴散，并阻斷其對電解液的催化還原反應。
上述研究更新了關于過渡金屬串擾對SEI性質(zhì)和鋰離子電池性能的認知，為提高電池循環(huán)壽命提供了潛在策略。
相關研究成果分別發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)和《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院相關項目等的支持。
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