锂离子电池化成过程SEI膜的原位原子力显微镜研究

NIMTE1DirectObservationofFormationinLithium-IonBatteriesbyEC-AFM锂离子电池化成过程SEI膜的原位原子力显微镜研究CaiShen（沈彩）2018年4月6日长期致力于纳米材料表面/界面性质的研究。在扫描探针技术(STM,AFM)师从Prof.ManfredBuck和Prof.FlemmingBesenbacher。迄今为止在JACS,ACSNano,AngewChem,Chem.Sci,NanoEnergy,SamllMethods等国际期刊上发表论文60多篇。其中第一作者/通讯作者34篇。申请发明专利10项(授权3项）。10多次参加国际会议并做大会报告（特邀报告2次）；美国SigmaXi科学研究会会员、中科院青年创新促进会会员，宁波市“3315计划”创新人才。应邀担任十多家学术期刊的审稿人，包括AdvancedMaterials;ChemicalSocietyReviews;Energy&EnvironmentalScience;MaterialsHorizons;ScientificReports.研究方向：新型锂离子电池材料；扫面探针显微镜技术沈彩2005-2009英国圣安德鲁斯大学，博士(2008)2010.01-2011.01美国马里兰大学，研究助理2011.02-2011.05德国海德堡大学，访问学者2011.06-2012.12丹麦奥胡斯大学，博士后2013.01-至今中科院宁波材料所，“春蕾”副研究员NIMTE3MicroscopicLowenvironmentalimpactMacroscopicMOFCOFMxenesResearchArea新型锂离子电池电极材料现有锂离子电池电极材料表/界面分析ACSNano,2017,11,3841−3850SmallMethods.,2017,1700298NIMTE4卷绕工艺流程图（processformakinglithium-ionbatteries）搅拌（Mixing）涂布（Coating）冷压（ColdLam）裁片分条（Slitting）焊接（Welding）卷绕（Winding）顶封（Topsealing）注液（Inject）化成（Formation）成型（Forming）测试•Formation(预化成）ToformstableSolidElectrolyteInterphase(SEI)onthesurfaceofelectrodes.FabricationprocessesforLIBsNIMTE5physical,chemicalandtopographyinformationofSEI“震惊!原来影响电池性能的竟然是这几纳米的一层膜”SolidElectrolyteInterphase(SEI)，asacrificiallayerreducedfromelectrolytesolution(organicsolvents)duringfirst/firstfewcyclesofdischarging/charging.是Li+的优良导体是良好的电子绝缘体有效防止溶剂分子的共嵌入SEI膜太薄\不连续\：无法有效缓解电极液持续分解（胀气）SEI膜太厚：增加了界面的锂离子传输阻抗，降低了整个体系的动力学（温升、锂枝晶）《储能科学与技术》2017/3ImportanceofSEIinLIBsNIMTE6Science,2017冷冻电镜受操作环境影响，无法使用常规电解液，无法实现原位观察原子力显微镜（AFM）研究表面科学的有力工具透射电镜（TEM）优势：实时、原位、无破坏性，低成本；测试模块多样化；可在大气、液体、超高真空下工作白春礼万立骏TechniquesforSEIobservationNIMTE7面向锂离子电池研究电化学原子力显微镜系统EC-CellAFMsystemECstationBatterytestingSysConnecttoECstationandheaterAFMandSTMsystemH2O,O2≤0.1ppm中科院仪器设备功能开发技术创新项目30万2015年初开始运行EC-AFMsystemsforLIBsNIMTE80123456789-100-50050100150Height(nm)Distance(m)SEIlayerformationonHOPG（Graphite)SEIlayerformedinEC/DMCSEIlayerformedinFEC/DMCNIMTE9XPScharacterizationNIMTE10通过改变电解液组成，可以有效调控SEI膜的厚度、致密性、化学组成、弹性模量ModulatingSEIbyelectrolytesACSAppl.Mater.Interfaces,2015,7,25441;Appl.Surf.Sci.,2017,426,217NIMTE11Young'smodulusofSEISEIformedfromLiDFOBelectrolytehashigherYong’smodulusthanSEIformedfromLiBOBelectrolyte.NIMTE12AFMstudyofSEIformationonLi4Ti5O121MLiPF6inEC/DMCNoelectrolytedecompositionwasobservedbetween2.5-1.0V.NoSEIlayerformationwasobserved.1.01.21.41.61.82.02.22.42.610-1-2Current(mA)VoltagevsLi+/Li(V)1stCV2ndCV3rdCV4thCV5thCV6thCVscanrate：1mV/sabc0.00.51.01.52.02.50.80.60.40.20.0-0.2-0.4Current(mA)VoltagevsLi+/Li(V)beforeCVafterCVNIMTE130200400600800020406080Height(nm)Distance(nm)line1line2abcd0.00.51.01.52.02.5-1.0-0.50.00.5VoltagevsLi+/Li(V)Current(mA)1st2nd3rda1aa2dbcefAfter3rdCVScratchedSEIformationonLTOanodeES还原电位在1.8V左右（vs.Li/Li+)10ml1MLiPF6inEC/DMC+2mlESEthylenesulfate(ES)NIMTE14Initialdendriteformation0.00.20.40.60.81.0-0.4-0.20.00.20.40.6Voltage(V)Capacity(mAh/cm2)EC/DMCFEC/DMCa0102030405060020406080100EC/DMCFEC/DMCCoulombicefficiency(%)CyclenunberbSmallMethods.,2017,1700298实现锂枝晶成核初期的原位观察含FEC电极液所形成的SEI膜可有效抑制锂枝晶的生长NIMTE15Futureworks201820192020ModulatingSEIofLimetalanode开发安全、长循环金属锂负极AgingLi-SLi-O2NIMTE16形貌图ConductiveAFMConductiveAFM（C-AFM）SurfacepotentialMeasurement(KPFM)0246810-150-100-50050Potential(mV)Distance(um)形貌图表面电势分布图100nmScanningElectrochemicalMicroscopyForinsituORR\OER\HERstudyincatalystFutureworksNIMTE17黄世强（硕士生）硅负极SEI膜及结构演变的原位AFM研究胡国宏（硕士生）金属锂负极SEI膜及结构演变的原位AFM研究毕业生：赵冲冲（硕士生）MOF电池，比克电池靳岩（硕士生）MOF电池，中科院纳米能源所高国梁（硕士生）MOF、Mxene材料锂电池，同济大学王舒玮（硕士生）EC-AFM，清华大学深圳研究生院Thanks