湘潭大学ACS Applied Materials & Interfaces: 钴掺杂对锂离子电池锡活性材料和铜集流体界面的强化作用

【引言】

锡负极因其较高的理论容量，储量丰富，价格便宜，环境友好，较高的锂离子存储容量和电子导电性(1.1×10^‒7)等优点，被认为是有希望的锂离子电池负极材料。但是，锡负极在锂化和去锂化过程中经历的巨大体积变形会引起活性材料的断裂、粉碎，活性材料从集流体上剥离，以及固体电解质膜的反复形成和剥落，这直接导致电池容量的衰减和差的循环性能。近期的研究发现，锂化诱导的活性材料和集流体界面强度衰减是界面层离的主要原因，因此，为了缓解锂化过程中活性材料-集流体界面的层离，进一步提高电池的循环性能和容量保持率，就需要提高活性材料和集流体的界面结合强度。作为一种有效的材料性质改进方法，掺杂已被广泛地用于调节和控制界面性质。最近有关金属氧化物与金属界面强度的研究表明，通过形成有效的化学键或促进界面间电荷转移，可以强化界面结合强度。

【成果简介】

近期，通过使用第一性原理计算模拟，湘潭大学马增胜教授团队报道了钴(Co)元素掺杂对锡(Sn)活性材料和铜(Cu)集流体界面结合强度的强化作用，并研究了相关机理。通过对Co不同位置掺杂进行研究，他们发现Co在活性材料和集流体界面区域的掺杂都可以不同程度的增强界面结合作用，其中界面间隙位置是最佳的掺杂点，界面解离能可以提高约9%。这主要是由于Co与界面处的Sn、Cu以及Li原子(对于锂化后的界面)形成较强的化学键。此外，较强的Li–Co离子键可以减少界面处电荷的积聚，抵消一部分锂化对界面强度的削弱作用，从而提高了界面结合强度。但是，Co在活性材料和集流体内部的掺杂会削弱界面结合强度。另外，随着Co含量的增加，界面系统的界面结合强度和电子稳定性都在不断提高，但热力学稳定性有所降低。通过研究界面系统的生成热随Co含量的变化规律，他们给出了最佳的Co掺杂含量。

相关成果以题为“Enhancement Effects of Co Doping on Interface Properties of Sn Electrode-Collector: A First-Principles Study”的文章在线发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

【图文摘要】

【图文导读】

图一、(a-c)和(e-h)分别为界面区域掺杂后的Sn/Cu和LiSn/Cu界面

优化后的(a) Sn/Cu-Co(inter)、(b) Sn/Cu-Co(Sn1)、(c) Sn/Cu-Co(Cu1)、(d) LiSn/Cu-Co(inter)、(e) LiSn/Cu-Co(Sn1)、(f) LiSn/Cu-Co(Li1)和(g) LiSn/Cu-Co(Cu1)界面。放大的视图中给出界面上形成的主要Sn–Co和Cu–Co键以及相应的键长。Cu、Sn、Co和Li原子分别用棕色、蓝色、红色和绿色表示

图二、(a) Sn/Cu、(b) Sn/Cu-Co(inter)、(c) LiSn/Cu和(d) LiSn/Cu-Co(inter)界面的pCOHP分析，以及(e-h)相应放大的界面处化学键的pCOHP分析

图三、(a) Sn/Cu、(b) Sn/Cu-Co(inter)、(c) LiSn/Cu和(d) LiSn/Cu-Co(inter)界面总的和分波态密度图

图四、弛豫后的Sn/Cu-Co(inter)界面，Co含量分别是(a) 2.44%、(b) 3.61%、(c) 5.88%和(d) 6.98%

图五、Sn/Cu-Co(inter)界面的生成热(△H_f)随Co含量的变化曲线

文献链接：Enhancement Effects of Co Doping on Interface Properties of Sn Electrode-Collector: A First-Principles Study (ACS Applied Materials & Interfaces 2019, 11, 24648−24658. DOI: 10.1021/acsami.9b01418).

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b01418

本文由湘潭大学马增胜教授团队供稿。

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