【研究背景】
锂离子电池（LIBs）的循环寿命和安全性是决定其能否成功应用于电动汽车（EVs）的关键要素。在电池长期使用过程中，由于多种因素，如固体电解质膜（SEI）的形成、电解质耗竭、活性材料的结构坍塌以及电极接触损失等，会出现电池容量的损失。在纯电动汽车和混合电动汽车中，通常将电池的循环寿命定义为原始容量的80%。提高电池循环寿命和安全性的关键在于如何延缓电池的老化。在这其中，电极层面的因素，如电极材料的结构坍塌和SEI的形成，是导致电池性能下降的主要因素。SEI层是由电解质分解和电极溶解形成的，包含有机和无机成分，其形成机制相当复杂。为了更准确地评估SEI的性质，需要一种更为宏观的方法来描述其形成过程。
【最新成果】
近期，韩国能源研究所的Il Chan Jang教授及其研究团队深入研究了在不同电流倍率下石墨负极上SEI的化学和电化学性能。实验过程中，研究团队首先通过全电池循环10个周期以形成稳定的SEI，并在最后一个周期后应用恒定电压（CV）放电步骤，以去除可逆形成的SEI中的可运输的Li+。他们利用傅里叶变换光谱(FT-IR)证实了由于电解质分解形成的有机SEI，同时使用差示扫描量热法(DSC)和X射线光电子能谱(XPS)揭示了不同电流倍率下SEI组成的差异。基于丰富的实验证据，他们提出了不同电流倍率下的SEI形成机制，并通过电阻抗谱(EIS)测试证实了SEI对电化学性能的影响。相关研究成果以“电流倍率对锂离子蓄电池石墨阳极固体电解质界面层形成的影响”为题，发表在Electrochimica Acta上。
【研究核心】
SEI的形成：研究团队通过在0.1、0.5和1.0 C的不同电流倍率下循环10次来形成不同类型的SEI层。随着电流密度的增加，CV循环中的充电容量在电位分布图上被拉长以达到平衡状态。特别是在高电流条件下的初始循环中，长CV阶跃区和低库仑效率表明大量Li+在不可逆反应中被消耗。通过dQ/dV图可以观察到主要的氧化还原反应发生的可能性。在循环过程中，通过观察和解析充电峰的变化可以揭示Li+的扩散情况和反应的可逆性。
对SEI层的表征：为了深入了解SEI的性质，研究团队使用了多种技术对其进行了详细表征。通过XRD研究发现了循环后石墨内的锂插层变化。采用CV放电步骤获得完全放电的负极，进一步揭示了不同电流条件下的SEI形成差异。通过SEM观察发现，在较高的电流倍率下，石墨负极表面出现了一些污垢，这表明非均匀的SEI的形成可能与电荷加速的电解质的分解有关。DSC被用来描述成分差异和测量SEI的热性能，以确认SEI的组成差异并估计其总量。F T-IR光谱和XPS用于确认SEI的成分。XPS深度剖面分析表明，化学成分随深度的变化受电流速率的影响。通过溅射前后的XPS详细谱扫描，可以发现材料表面被电解质分解产生的有机物覆盖，同时揭示了在高电流条件下形成了含有Li2CO3的内部无机层。
【结论】
本文利用由NCM622正极和石墨负极组成的全电池，深入研究了不同电流倍率下形成的SEIs的性能。研究表明，循环过程中不同的电流倍率会显著改变SEI的物理化学和电化学性质。高电流速率产生的强电场可能促进了带电物种的迁移并加速了氧化还原反应。这项实了不同电流条件下SEI层的差异，并尝试确定SEI和死锂的形成对电池退化和热失控的影响。这为理解锂离子电池的老化机制和提升电池性能提供了重要依据。Seung Mi Oh, Jinju Song, Soyeon Lee, Il Chan Jang，Effect of Current Rate on the Formation of the Solid Electrolyte Interphase Layer at the Graphite Anode in Lithium-Ion Batteries. Electrochimica Acta, 2021, DOI: 10.1016/j.electacta.2021.139269。
