親眼看一看鋰離子電池SEI膜的生長過程！

鋰離子電池負極在首次嵌鋰的過程中隨著負極電位的持續降低，電解液中的溶劑和新增劑，例如EC、FEC、VC等會在負極表面發生分解，形成一層有機無機混合的惰性層，也就是我們常說的SEI膜。這層惰性層的存在能夠有效的抑制電解液進一步在負極表面發生分解，同時還能夠允許Li+透過，因此SEI膜對於鋰離子電池的倍率效能、迴圈壽命等都有重要的影響。

但是由於鋰離子電池的全密封結構和負極的高反應活性，因此傳統手段觀測手段難以觀測到SEI膜的形成過程。

近日，上海交通大學的

Chen Hou

（第一作者）和Mingwei Chen

（通訊作者）等人採用一種新的方法對鋰離子電池的形成、生長和失效過程進行了原位觀測，研究表明SEI

膜具有雙層混合的結構，SEI

膜的失效則主要與SEI

膜表面的有機成分破壞後引起內層的無機成分的溶解有關。

Chen Hou透過下圖所示的裝置研究了在34C大倍率下充放電過程中，金電極表面SEI膜的生長和破壞過程，之所以選擇金作為工作電極，主要是因為在之前的研究中有學者觀察到了金表面形成SEI膜的現象，同時在脫嵌鋰的過程中金電極也會產生巨大的體積膨脹，能夠模擬上述的SEI膜在金屬Li或Si負極表面在充放電過程中經歷的體積膨脹。從下圖c和d可以看到在經過了一個充放電迴圈後金的表面已經因為體積變化產生了許多裂紋和微孔。

下圖展示了金電極的嵌鋰過程和表面SEI膜的生長過程，圖中黑色部分為電解液，亮色部分為金電極和SEI膜，其中金電極呈現亮黃色和紅色，SEI膜呈現綠色，SEI膜與電解液的介面呈現藍色。從下圖a能夠看到在開始嵌鋰時金電極表面就開始形成一層厚度不均勻的SEI膜，隨著嵌鋰反應的持續進行，SEI膜的厚度也在不斷的增加。隨著Li-Au合金的形成我們能夠在金電極表面觀察到明顯的體積變化和區域性凸起現象，從下圖d可以看到隨著Li-Au合金的生長，開始在金電極內部產生孔隙（下圖d中綠色圓圈標示位置），從下圖g可以看到在金電極和SEI膜中間的位置，Li-Au合金開始快速生長，厚度達到3。45um，並且隨著嵌Li的增多，Li-Au合金的厚度也在一直增加。

為了更直觀的瞭解SEI膜生長過程，小編特意將上面不同時間的圖片做成動圖。

為了分析SEI膜的形成過程，作者對前64s時間內Au電極表面的SEI膜變化過程進行了分析（如下圖所示），從下圖a可以看到開始形成的SEI膜分為兩層：1）位於電極表面的內層無機物層；2）靠近電解液的外層有機物層。這與之前研究者認為的內層主要是高密度的無機物層（Li2CO3， LiF， Li2O），外層時低密度的有機物層（（CH2OCO2Li）2，ROLi， ROCO2Li）的結論是一致的。

從下圖a-d可以看到，在整個的充電過程中內層的無機物層會持續的增長，並保持了一個粗糙的介面，同時外層的有機物層則保持了多孔的結構特點。因此作者認為初始的SEI膜形成分為兩個過程：1）首先電解液在金電極表面發生分解，形成一層具有無機物內層和有機物外層的雙層結構多孔SEI膜；2）然後電解液滲入到SEI膜的孔隙內部繼續發生分解，使得SEI膜持續生長，直到內層的SEI膜變得均勻而緻密，能夠有效地阻止電解液的進一步分解。

下圖e為圖中亮色顆粒和電解液的電子能量損失圖譜，從圖中能夠看到亮色顆粒的主要成分為Li、Au。同時作者也對SEI膜的內層無機層進行了分析，結果顯示內層無機層主要成分為碳酸鋰，同時還含有少量的LiF、LiOH和金屬Li。

下圖f展示了SEI膜中的內層無機層和外層有機層的生長速度，從圖中可以看到SEI膜的內外兩層的生長速度基本一致，同時我們也注意到隨著金電極體積的不斷膨脹，SEI膜的厚度也在持續的增加，並且在50s左右時SEI膜的生長速度在顯著加速，與之對應的是金電極由於形成孔隙和裂紋而引起體積劇烈膨脹。因此SEI膜的加速生長可能是由於電極體積膨脹對SEI膜形成張力，使得電解液等更容易穿過SEI膜發生分解，從而引起SEI膜加速生長。

下圖展示了在34C大倍率下放電時SEI膜的失效過程，從下圖a和b可以看到從開始放點到221s，SEI膜保持了均勻和連續性，電極中的Li-Au合金層的厚度從4。71um降低到3。98um，降低大約15%。但是從268s開始，由於電極中Li-Au合金層厚度的劇烈變化，SEI膜開始變得凹凸不平，表面也變得粗糙，被破壞的SEI膜溶解到電解液之中，導致電極與電解液直接接觸，引起電極過電勢的變化。同時從下圖h-j可以很清楚地看到在快速放電的過程中，由於金電極的表面產生的釘狀物，以及電極體積劇烈變化，引起SEI膜的破壞，並導致內層無機層裸漏於電解液之中發生了溶解，最終導致了SEI膜的整層剝落，引起SEI膜的失效。

下圖為34C充電過程中SEI膜和金電極的變化，從下圖a可以看到金電極呈現出多晶結構，晶體顆粒的平均直徑為100nm，從圖b和c可以看到SEI膜的厚度也是不均勻的，區域性SEI膜的厚度與Li-Au合金的成核和生長密切相關。從下圖d和e可以看到，在Li-Au合金成核後會導致區域性的體積發生巨大的膨脹，從而對SEI膜形成張力，使得區域性的SEI膜變薄，保護性降低，進而加速區域性SEI膜的生長速度，再使得該處SEI膜厚度增加。

下圖為上圖的區域性放大圖，從圖中我們可以清晰地看到SEI膜呈現一個雙層結構，同樣我們從下圖a也可以看到初始狀態的SEI膜呈現出厚度不均勻的現象，SEI膜的厚度與區域性電極的形貌有著密切的關係，表明SEI膜的不均勻與電極表面的粗糙度，以及由此導致的區域性電流分佈不均之間有著密切的關係。

從圖中能夠看到SEI膜的生長與Li-Au合金的生長之間關係密切，SEI膜在Li-Au合金成膜之前就已經形成，這主要是因為在Au電極表面還原的Li同時參與了Li-Au合金的形成和電解液的分解，隨後Li-Au合金呈現勻速生長的趨勢，但是SEI膜的生長並非勻速的，而是呈現一個搖擺式的速度變化，這主要是因為開始的時候Li-Au合金引起的體積膨脹引起SEI膜受到張力，使得SEI膜變薄，保護性變弱，使得SEI膜生長加速。但是隨著SEI膜厚度的增加，SEI膜的保護性增強，進而降低了電解液的分解速度，使得SEI膜生長速度又發生降低。

Chen Hou採用的研究方法使得我們首次能夠直觀地觀察到SEI膜的產生和生長，以及失效的過程，研究表明SEI膜在電極表面呈現出典型的雙層結構特點，其中內層為無機成分，而外層為有機成分，剛形成的SEI膜疏鬆多孔，電解液會透過這些孔隙進入，在電極表面發生分解，填充這些孔隙，進而產生緻密的SEI膜。但是在電極體積膨脹的過程中會對SEI膜形成張力，導致SEI膜變薄，從而導致電解液繼續發生分解，引起SEI膜的生長。在快速放電的過程中，由於電極的體積快速收縮，因此SEI膜會遭到一定程度的破壞，當內層的無機物層裸露後會發生溶解，進而導致整個SEI膜層的剝落，引起SEI膜的失效。

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Operando Observations of SEI Film Evolution by Mass-Sensitive Scanning Transmission Electron Microscopy，

Adv. Energy Mater. 2019, 1902675

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Chen Hou, Jiuhui Han, Pan Liu, Chuchu Yang, Gang Huang, Takeshi Fujita, Akihiko Hirata, and Mingwei Chen

文/憑欄眺