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研究人员揭示硅纳米颗粒电极的降解过程 促进锂离子电池发展

汽车 盖世汽车网    2022-07-19 13:23

盖世汽车讯 据外媒报道,最近发表在《物理化学杂志C》(The Journal of Physical Chemistry C)上的一项研究集成了原位、非原位扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDX)方法,为研究锂离子电池充电/放电循环过程中硅纳米颗粒基电极的降解过程提供了详细见解。

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(图片来源:ACS)

 

硅基电极具有超大理论比电容,而且硅材料易于获得且成本低,因此日益受到关注。然而,由于明显的体积放大/收缩和强电解质间相(SEI)大量增长,硅基电极的容量会快速下降,并且循环寿命较短。了解硅纳米颗粒基负极的降解过程,对于解决活性材料断裂、粉碎或改进固体电解质界面(SEI),具有重要意义。

对于研究硅纳米颗粒基电极的降解过程而言,利用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散 X射线光谱(EDX)等进行事后剖析研究(post mortem investigations),是常用且有效的方法。异位(Ex-situ)分析是指在适当的电池容量和健康状况下停止充/放电循环,然后将电池拆解,并利用SEM和EDX方法分析干电极。与非原位SEM不同,原位/现场原位(in-situ/operando)研究是在不拆卸电池的情况下进行的。

尽管异位SEM和EDX可以提供有用的信息,但所得到的各类电极图片,不如使用原位/现场原位方法获得的同点测量结果精确。因此,有必要开发原位/现场原位方法,以全面了解锂离子电池中硅纳米颗粒基电极的降解过程。

在这项研究中,研究人员利用准原位(QUIS)SEM和EDX,在充放电循环中探讨纯硅纳米颗粒复合电极的降解过程,包括粉碎、不可逆体积变化和表面降解产物(floor degradation merchandise)。

这项QUIS-SEM/EDX研究结合原位和非原位分析方法的优点,在受保护的环境中完成周期性非原位同点评估,从而获得SEM照片,就像在原位拍摄一样,可以准确地了解以往工艺过程。

在整个实验过程中,锂离子电池采用标准的天然碳酸盐基电解质,均在典型的工作环境下运行。为了确保受保护的准原位环境,以非破坏性方式将主要基于硅纳米颗粒的电极从电池中地取出,并保持在惰性气氛中。

结果表明,采用QUIS-SEM/EDX方法,可以在同一区域对硅纳米颗粒基电极表面进行多次循环成像,且光束降解最小,具有良好的空间精度。经过10次循环后,通过QUIS方法对不同的放电率进行对比。研究人员发现,在放电率降低时,以持久的体积扩大为主;而在放电率升高时,碎片化结构占主导地位。

此外,对表面降解产物恒定增长的分析表明,氟基降解产物形成于导电添加剂上,而不是硅纳米颗粒上,意味着导电添加剂是形成均质SEI和锂离子电池降解的必要因素。

总之,QUIS-SEM/EDX方法可以消除潜在的成像/评估技术缺陷,以了解硅纳米颗粒的降解影响。

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责任编辑: 4161HSS

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