锂电池中碳电极表面SEI膜形成机理及其稳定性的原位电镜研究

In a battery device, solid electrolyte interphase (SEI) is a product of chemical reaction between the battery electrode and electrolyte. SEI plays a key role to achieve excellent battery performance and long battery lifetime. However, the mechanism of SEI formation is still unclear. By miniaturizing a battery device into a TEM, we are able to study the dynamical formation process of the SEI in the initial charging process, which provides us direct evidences on the explanation of the SEI formation mechanism. In-situ TEM technique enables us to investigate the morphology and microstructure evolution of SEI during the charging-discharging process. By using In-situ TEM, we are able to reveal the impact exerted from different electrolyte and different charging-discharging current density on the SEI property. It would enable us to design a controlled SEI structure to achieve high power, high safety,stable battery device in the near future.

当前应用越来越广泛的锂离子电池，其性能在很大程度上都受到一种界面层(SEI)的影响。SEI膜是电极材料与电解液的反应产物。到目前为止，大家对SEI膜的成膜机理存在争议：是电解液首先分解，分解产物覆盖于电极材料表面，之后形成SEI膜？还是电解液中离子先与电极材料反应形成化合物，之后化合物分解形成SEI膜？本项目拟在原位电镜中建立一个微纳尺度的电池结构，在其首次充电过程中，利用电镜高分辨成像技术、电子衍射谱以及X射线能谱分析(EDX)技术，研究单个不同石墨化程度的碳电极表面SEI膜的形貌、微结构、化学组分、厚度、致密性实时动态的演化过程，揭示SEI成膜机理。并研究SEI膜性质与电解液性质、充电电流密度之间的内在关系,以及在电池反复充放电过程中对碳电极表面SEI膜稳定性的研究，对电池充放电效率、电池寿命的影响。本项目研究成果将会指导我们设计出结构可控的高性能SEI膜，最终获得性能更优化的电池。

我们知道SEI膜形成机制的揭示以及对SEI膜的微结构、化学组成、致密性、稳定性的研究，将使我们深入认识到SEI膜对电池性能的影响方式和影响程度，更为重要的是，这些关键问题的解决使得我们未来有能力设计出结构可控的SEI膜，最终获得更高能量密度、更高效率、更长寿命、更安全的电池。因此本项目通过制备合成单一电极材料及复合电极材料，修饰电极的表界面结构，调控电极表面的SEI膜的形成。并通过原位表征手段，研究电极材料界面结构的动态演化过程，揭示SEI膜的形成机理。主要研究内容包括：通过固相反应法、静电纺丝以及水溶液法制备合成系列复合电极材料，例如NbSe3/RGO、MnO/RGO、WO3/NPRGO等复合结构，调控电极材料的表界面，优化其界面结构。通过原位表征手段，研究电极材料界面结构的动态演化过程及SEI膜的形成机理。研究结果表明：a. 电极表面SEI膜的形成过程可以通过电极界面结构的调控而得到有效地控制。b. 电极界面结构的调控主要通过复合材料的合成制备实现，其界面结构更为稳定。c. 原位电镜的表征结果有力的证实了电极表面SEI膜形成过程与其界面结构密切相关，优化界面ＳＥＩ膜的形成面积。d. 通过界面结构修饰对SEI膜的调控后，复合材料的锂离子电化学特性得到了极大的提高，电池寿命变得更长，性能更稳定。