东北师大吴兴隆教授Adv. Mater.：双离子电池石墨正极中，阴离子脱/嵌过程的高稳定化新策略

【引言】

由于地球上金属资源的含量有限，严重制约了金属离子作为单电荷载体的电池发展。尽管超级电容器可以同时利用电解质中的阴阳离子，在电极/电解质的界面处发生嵌脱/法拉第反应储能，但其较低的能量密度仍远远不能满足储能的需求。以石墨为正极的双离子电池（DIB），具有近5 V的工作电位和更高的能量密度。但这类电池具有严重的电解质分解和石墨正极的剥落问题，导致其循环寿命较差。本文开发了一种新的表面改性策略，通过固体电解质界面膜（SEI）来保护石墨正极，有效缓解了阴离子溶剂化效应和电解质分解沉积，极大限度地提升了双离子电池的循环性能和库伦效率。

【成果简介】

近日，中国东北师范大学的吴兴隆教授（通讯作者）等人，开发了一种新的表界面修饰策略，通过固体电解质界面膜SEI来保护石墨正极，缓解了阴离子溶剂化效应和电解质分解沉积。这种SEI改性的石墨电极，在上截止电压5.0 V和200 mA g^-1的电流密度下，循环500次后，表现出优异的循环稳定性和96％的容量保持率，与原始石墨正极相比，得到了很大的改善。通过非原位研究发现，人造的SEI在电化学过程中重构后，有效稳定了石墨正极/电解质的界面，逐步建立了最佳的阴离子传输路径。这项成果提出了一条提升DIB性能的新途径，将促进DIB的发展和实用化。相关成果以“Highly Improved Cycling Stability of Anion De-/Intercalation in the Graphite Cathode for Dual-Ion Batteries”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 UMG和SMG电极的电化学和结构表征

（a，b）UMG和SMG的电化学阻抗谱（插入图：对应的等效电路图）；

（c，d）UMG和SMG的SEM图像；

（e）SMG的TEM图像；

（f-h）SMG中C、F和O的元素Mapping图；

（i-l）SMG中C 1s，O 1s，F 1s和Li 1s的高分辨XPS谱图；

（m-p）UMG中C 1s，O 1s，F 1s和Li 1s的高分辨XPS谱图。

图2 SMG和UMG电极的化学性能表征

（a，b）在5.0 V(a)和4.9 V(b)的上截止电压和200 mA g^-1的电流密度下，Li//SMG和Li//UMG的循环性能图；

（c，d）在5.0 V(c)和4.9 V(d)的上截止电压和200 mA g^-1的电流密度下，不同循环圈数时Li//SMG和Li//UMG的充放电曲线图。

图3在首次充放电状态下，SMG和UMG电极的结构分析

（a，b）首圈充电到5.0 V和放电到3.0 V下，SMG中F 1s，Li 1s的XPS谱图；

（c，d）首圈充电到5.0 V和放电到3.0 V下，UMG中F 1s，Li 1s的XPS谱图；

（e）SMG和UMG的界面成分示意图。

图4在循环过程中，SMG和UMG电极的结构和成分分析

（a，b）SMG(a)和UMG(b)在上截止电压5.0 V下，循环200圈后的SEM图像和XRD图；

（c，d）SMG(a)和UMG(b)在上截止电压5.0 V下，循环200圈后的HRTEM图像；

（e，f）SMG(e)和UMG(f)在上截止电压5.0 V下，循环1和50圈后的阻抗谱图；

（g，h）在上截止电压5.0 V下，循环200圈后，SMG中F 1s，Li 1s的XPS谱图；

（i，j）在上截止电压5.0 V下，循环200圈后，UMG中F 1s，Li 1s的XPS谱图。

图5 DIB的工作原理与性能提升示意图

【小结】

本文通过有效的电化学修饰方法，预先在石墨正极上形成人造SEI膜，提高了锂//石墨（即锂作为负极，石墨作为正极）双离子电池的循环性能。研究表明：人为构建的SEI膜不仅可以抑制石墨正极表面的电解质分解，还可以减轻阴离子的溶剂化效应，保证了石墨表面的稳定性。本文获得的SMG电极，在200 mA g^-1的电流密度和5.0 V的上截止电压下，能够提供约84.5 mAh g^-1的容量，500次循环后，仍具有96％的容量保持率。这表明表面改性起到了作用，显著提高了高压下电池的循环性能。因此，通过预制SEI改性石墨正极的策略，也可以扩展到其他保护性涂层，从而改善锂//石墨双离子电池的电化学性能。文献链接：Highly Improved Cycling Stability of Anion De-/Intercalation in the Graphite Cathode for Dual-Ion Batteries（Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201804766）。

本文由材料人编辑部张金洋编译整理。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu，我们会邀请各位老师加入专家群。

欢迎大家到材料人宣传滚球体育 成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。