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【顶刊综述】复旦大学叶明新教授/沈剑锋教授 AEM综述：擦亮眼！聚焦SEI中LiF的作用

科学材料站

2021-03-15

导读：该综述文章分析了近年来SEI中起保护作用的成分LiF存在争议的文章，同时汇总了LiF在SEI中的研究进展。

文章信息

鉴别固态电解质界面（SEI）中LiF的作用

第一作者：谭剑

通讯作者：叶明新, 沈剑锋

单位：复旦大学

研究背景

可充电锂电池彻底改变了人们的生活方式。然而，有限的循环寿命和安全问题严重阻碍了它们的商业化应用，主要由于不稳定的固态电解质界面（SEI）和不可控的锂枝晶生长。

近年来，SEI的研究在世界范围内得到了广泛的关注。然而，SEI的结构和组成一直是争论的焦点。特别是，主要成分LiF的作用仍然捉摸不透。

为了能更好地理解LiF在SEI中的作用，作者首先回顾了SEI的发展历史；重温了形成SEI的基本理论；然后分类讨论了能够形成LiF的负极材料；简单介绍了SEI的表征技术；详细讨论了锂离子在SEI中的传输机理；简单介绍了LiF的物理性质；深入分析了LiF的来源。最后，总结并对SEI未来的研究方向进行展望。

文章简介

近日，来自复旦大学的叶明新教授和沈剑锋教授课题组，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“A Growing Appreciation for the Role of LiF in the Solid Electrolyte Interphase”的综述文章。

该综述文章分析了近年来SEI中起保护作用的成分LiF存在争议的文章，同时汇总了LiF在SEI中的研究进展。

博士研究生谭剑为本文的第一作者。

图1. 本综述导览图。

本文要点

要点一：SEI的研究进展

从1979年SEI的概念被提出到现在，其稳定性是决定电池电化学性能的关键。近年来，SEI的研究又重新回到学术界的视野。

换句话说，SEI还没有真正搞清楚，一直是一个经久不衰的研究课题。对于SEI中的化学成分和结构，不同时期借助不同的表征手段会得到不同的信息。特别是近3年来（2018年到2020年），LiF在SEI中的作用饱受争议。针对学术界最关心的话题，对SEI及含LiF的SEI的研究进展进行梳理，重新认识LiF在SEI中的作用。

要点二：锂离子在SEI中的传输机理

SEI的特点是：导锂离子，不导电子，保护电解液不被分解，使电池能够稳定工作。

当前，锂离子在SEI中的传输机理尚未得到实验证据，现有的文献计算表明，锂离子在致密SEI中进行传输是在无机物形成的晶界处，此处能垒最低，并且在形成异质结的晶界处传输速率最快。

要点三：LiF作用的争议

负极表面形成的由无机物组成的致密的SEI对电解液起保护作用。如果负极表面没有形成致密的保护层，就起不到保护作用。在常规电解液中，负极表面原位形成的SEI并不完全由LiF组成，而是被其他无机物覆盖，因此认为LiF不起保护作用。

而富含LiF的SEI中，纳米颗粒的LiF之间必然会形成很多晶界，而计算表明：锂离子是在致密的SEI中无机物形成的晶界中进行传输，并且在形成异质结的晶界处传输速率最快。因此，LiF离子绝缘性也不会影响锂离子在SEI中进行传输。当前，普遍接受的观点：富含LiF的SEI是比较理想的电解液保护膜。

要点四：LiF的物理性质

宏观的LiF晶体是一种离子和电子绝缘体。

换句话说，该物质既不导锂离子又不导电子。理论上是不适合作为SEI中的保护成分，但是当LiF与其他无机组分以纳米级的形式在SEI中形成异质结时，锂离子会在晶界处进行快速传输。

要点五：SEI中LiF的来源

（1）原位形成富含LiF的SEI。要原位形成富含LiF的SEI，含氟溶剂和含氟阴离子是首选。只有充分理解氟化溶剂和含氟阴离子电解液形成SEI的机理后，才能通过电解液调控原位制备富含LiF稳定的SEI，提高电池的电化学性能。

（2）非原位制备富含LiF的SEI。本节综述了非原位制备富含LiF的SEI不同的方法。

要点六：前瞻

当前对SEI的了解和研究仍然有限，尤其是致密层中由无机物形成的晶界的研究屈指可数，这也是未来SEI一个潜在的研究方向。另外，锂离子在SEI中的传输机理在实验上一直没得到证实。由于金属锂的对空气敏感，非原位的表征会破坏原有的结构，因此对于金属锂表面的SEI的研究需要更多的原位表征手段。

冷冻电镜可以有效降低电子束对于SEI的损失，同时低温也可以保护被表征部分的完整性，因此冷冻电镜在SEI中的研究有广阔的应用前景。另外，计算机模拟可以得到SEI中丰富的信息，对未来的研究具有一定的指导意义。只有充分理解SEI的形成机理、结构和化学成分，借助在先进的表征手段和高端的制备技术，设计稳定的SEI，促进锂金属电池的商业化应用。

文章链接

A Growing Appreciation for the Role of LiF in the Solid Electrolyte Interphase

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01465

第一作者介绍

谭剑，现为复旦大学材料科学系博士研究生，师从叶明新教授、沈剑锋教授。2018年毕业于武汉理工大学科学与工程专业，获得硕士学位，师从麦立强教授。目前主要研究方向为双电层电容器和锂硫电池。

通讯作者介绍

叶明新教授。

复旦大学专用材料与装备技术研究院教授。通讯作者在同行评议期刊上发表论文140余篇，被引7000余次。目前的研究重点是增强复合材料和用于能量存储与转换的先进材料。

沈剑锋教授。

复旦大学专用材料与装备技术研究院教授。2005年获复旦大学学士学位，2010年获复旦大学博士学位。以第一作者或通讯作者在同行评审期刊上发表论文120余篇。目前的研究重点是增强复合材料和用于能量存储与转换的先进材料。