【儀表網 研發快訊】金屬電池負極SEI(solid electrolyte interphase，固體電解質界面相)是電池內部傳輸離子、阻隔電子的重要界面層, 其性質以及穩定性直接影響著電池性能。盡管現有研究報道充分證明了金屬氫化物(氫化鋰、氫化鈉)是SEI的重要組成部分，但是作為近些年才被發現的無機組分，針對SEI中高含量金屬氫化物的離子傳輸機制、自身穩定性，尤其是其與電池性能的偶聯關系仍鮮少被深入探究。
青島能源所崔光磊研究員帶領的固態能源系統技術中心自2021年至今持續致力于探究SEI中金屬氫化物的相關性質。早在2021年研究團隊便首次發現了鋰金屬負極粉化失效(Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60,7770– 7776 )以及電池熱失控和氫化鋰存在密切關聯(Adv. Sci. 2021,8,2100676)，此后兩年內持續推進相關研究，探究了氫化鋰在與鍺負極失效(Angew. Chem. Int. Ed. 2023,62,e202306141)、鈉金屬負極中氫化鈉導致的鈉金屬電池失效等相關耦連機制(Energy Storage Materials61 (2023) 102891)。近日，研究中心聯合燕山大學以及大連化物所，繼續深入開展了系列關于鋰金屬電池SEI中氫化鋰相關的先進研究。
針對現階段高比容量硅負極面臨嚴重粉化失效威脅的現狀，相比“電化學鋰化導致硅粉化失效”的傳統認知，研究首次報道了SEI中氫化鋰含量與硅粉化失效的強關聯，研究證明高氫化鋰對應嚴重粉化的原因是硅負極SEI中的氫化鋰會在硅脫鋰時反向鋰化硅。與硅的電化學鋰化不同的是，氫化鋰對硅的局域鋰化是不均勻的，極易誘發硅顆粒的應力分布不均勻，進而加速硅的粉化失效(圖1)。
圖1 氫化鋰逆向鋰化硅導致其應力分布不均勻示意圖
此外，研究團隊還通過設計同位素交換實驗結合示蹤實驗，聯用先進的TOF-SIMS技術，首次深入揭示了SEI中氫化鋰相關離子傳輸機制。相比氧化鋰的體相傳輸、氟化鋰的表面傳輸等傳統SEI無機組分，氫化鋰的傳輸機制表現出獨特的電化學分解特性(圖2)。
圖2 SEI中關鍵無機組分鋰離子傳導機制示意圖
基于對氫化鋰電化學不穩定性的揭示，研究明確提出了未來SEI的設計原則：高氧化鋰或氟化鋰含量，盡可能低的氫化鋰含量。相關成果近期發表于Angewandte Chemie International Edition和Advanced Materials。該研究得到了科技部重點專項、國家自然科學基金、山東省泰山學者以及國家資助博士后研究人員計劃等的資助。(文/圖 孫金燃)
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