北京大学深研院潘锋/杨卢奕团队在Nature Communications发文揭示硅基负极SEI生长演化机制

编者按

产业上新一代的锂电池负极材料是硅碳基材料，主要包括微米级氧化亚硅和硅碳与石墨复合两大类。“传统石墨已达极限，硅碳基负极将开新局”，这是近两年新能源行业达成的普遍共识，作为锂电池领域技术门槛高、市场前景十分广阔的赛道，各大电池厂、材料厂争相入局。传统的SEI被认为是绝缘的，但为何扫描电子显微镜下清晰可见的“SEI厚层”可以包裹住硅基颗粒，并持续生长、增厚？对硅基负极SEI结构演化过程的观测目前依然是一个挑战。

近日，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授与杨卢奕副研究员团队历时4年，采用离子-电子双束扫描电子显微镜系统（FIB-SEM），可视化了不同循环状态下的硅基颗粒及其表面SEI膜的三维形貌，终于系统性地揭示了氧亚硅颗粒表面SEI膜生长、演化的过程，并归纳其对电池失效的影响，填补了这一重要科学问题的研究空白。

本研究设计了多项极具原创性的表征手段，揭示了以下三点具有学术价值、产业价值的重要结论：1. 通过直接测得SEI截面的面电导率，改变了人们对SEI是绝缘体的固有认识；2. 提出“SEI呼吸模型”，揭示了SEI的增厚机制；3. 确立了“硅基材料的体积膨胀/收缩是SEI持续生长根本原因”及相关失效机理，并提出了有效改进途径。

硅基负极SEI的生长过程示意图

经过观察，研究团队发现SEI在充放电过程中，会以类似人体肺部呼吸的模式进行收缩与扩张，并从外向内逐渐增厚、变得更密实，形成分层结构。可以推测SEI在“呼吸”过程中把导电网络中的导电碳黑包覆在其中，导电碳黑的连续接触形成“电子渗流效应”维持着导电网络，因此SEI应该具有导电性。为了证实这个推测，团队发展方法直接测得了SEI截面的面电导率，发现其有较高的电导率，从而改变了人们对SEI是绝缘体的固有认识。

文章相关信息

该研究以“Revealing the aging process of solid electrolyte interphase on SiOx anode”为题于近日发表在知名期刊Nature Communications上，潘锋、杨卢奕为本文通讯作者，北京大学深圳研究生院博士后（现中山大学助理教授）钱果裕和博士生李轶伟为本文第一作者。

论文信息：

G. Qian, Y. Li, H. Chen, L. Xie, T. Liu et.al. Revealing the aging process of solid electrolyte interphase on SiOx anode. Nature Communications (2023).

DOI: 10.1038/s41467-023-41867-6.

来源：北京大学深圳研究生院、北京大学新闻网

转自：“北大科研”微信公众号

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