祝贺万静同学关于单层二硫化钼电极表面超薄SEI膜与褶皱演化过程的原位AFM研究工作被Nat. Commun. 接收发表！
在锂电池研究体系中，固体电解质界面（SEI）膜形成机理和界面动力学行为一直是具有挑战性的难点问题。SEI膜不导电子但能保证锂离子顺利通过，高质量的SEI膜被认为能够有效保护电极避免副反应以及抑制锂枝晶的形成。氟代碳酸乙烯酯（FEC）作为一种电解液添加剂被广泛地用于锂电池体系中，被认为可以诱导SEI膜的形成从而有助于电池性能的改善。然而，电解液添加剂诱导SEI形成的微观机制与表面效应尚不清晰。二硫化钼（MoS2），因其具有较高的理论比容量（~670 mA·h/g）、适合碱金属离子（Li+, Na+, K+）传输的二维层状结构（层间距约为0.65 nm）以及广泛的应用，被认为是最具前景的负极材料之一。因此，利用超平大面积单分子层MoS2电极材料的优势，构筑一个近乎完美的机理研究平台应用于原位电化学原子力显微镜（EC-AFM）成像研究，有望实现对于电极/电解液界面电化学过程的实时监测，发现并理解SEI膜形成初期的形貌、成核电位、生长速率、化学组分及其在循环过程中的演化规律，有利于深入理解锂离子电池表界面的相关基础科学问题，对于锂电池界面稳定工程以及电池材料的优化设计具有重要意义。
利用化学气相沉积法（CVD）制备的大面积超平单分子层MoS2做为工作电极，通过EC-AFM进行充放电过程的实时监测。发现含有10 wt％ FEC添加剂的电解液中，充电至1.77 V时，MoS2电极表面从台阶边缘处伸出树枝状SEI膜，随后在电极表面快速地外延生长、合并并最终致密且均匀地覆盖整个电极表面形成一层超薄的SEI膜（初始厚度仅为0.7±0.1 nm，充电过程保持1.5±0.7 nm）。通过对比，在不添加有FEC的体系中没有观察到这层超薄SEI膜，故将该层SEI膜归属于FEC添加剂诱导形成的界面保护膜。继续充电至1.22 V，监测到电极表面出现与不添加FEC体系中类似的纳米颗粒状SEI膜以及表面褶皱行为。此时电极/电解液界面处形成的双层SEI膜结构有利于抑制界面副反应的持续发生以及较大的体积膨胀与不可逆收缩，体现在电池的循环性能有较为显著的提升。该结果由于原位观察到FEC添加剂诱导的SEI膜初始成核、生长和形成过程，深入理解了充放电过程中界面SEI膜的动态演化与反应机理，揭示了FEC对电池性能优化在纳米尺度上的表面作用机制。另一方面，在超平单层的MoS2电极表面同时原位追踪到锂化过程中MoS2电极因相转变（2H MoS2到1T LixMoS2）应力释放而产生的褶皱结构的演化行为，并从纳米尺度上探究了缺陷对电极结构与反应动力学关系的影响。这些结果有利于深入理解锂离子电池中的表界面相关基础科学问题，并进一步指导MoS2基锂离子电池的界面修饰与结构设计。该成果近期发表在《Nature Communications》上。
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11197-7
Ultra-thin solid electrolyte interphase evolution and wrinkling processes in molybdenum disulfide-based lithium-ion batteries
Nature communications, 2019, 10, 3265.
图1. 单层MoS2电极表面结构演化和反应机理示意图。
