跟着顶刊学测试｜Nature Nanotechnology：同步辐射XRD识别锂金属负极SEI中LiH和LiF
金属锂因具有较低的氧化还原电位和较高的理论比容量被认为是下一代电池的最终负极。然而，锂金属负极面临着与电解质高反应性的挑战，这导致低库仑效率（CE）、枝晶生长和循环过程中“死锂”的形成。因此，必须形成稳定的固态电解质界面（SEI）。通常，SEI决定了锂离子传输和锂沉积行为的动力学，这决定了电池的性能。近年来，在改善锂金属负极SEI稳定性方面取得了实质性进展，如高浓电解液。但尽管已经开发了许多技术并应用于SEI表征，如低温电子显微镜、X射线光电子能谱、核磁共振和原子力显微镜等，但SEI的精确组成、形态以及电解质如何影响其性能结构和性质，目前还不清楚。特别是，LiH的存在与否已经争论了很长时间。此外，人们普遍认为LiF是稳定SEI的关键组成部分，但如果LiF是一种离子绝缘体，它又如何发挥如此关键的作用呢？
近日，美国布鲁克海文国家实验室Xiao-Qing Yang、Enyuan Hu、西北太平洋国家实验室Jie Xiao等人利用同步辐射X射线衍射来识别和区分锂金属负极SEI中两个难以捉摸的组分LiH和LiF。这项研究证实LiH是SEI的大量组成部分，并讨论了其在文献中被误认为LiF的可能性。此外，研究发现SEI中的LiF具有与体相LiF不同的结构特征，包括较大的晶格参数和较小的晶粒尺寸（<3nm）。这些特性有利于Li+的传输，并解释了为什么离子绝缘体（如LiF）被认为是SEI的有利成分。
图文导读
1、SEI中晶体成分的识别
图1 不同电解液中形成的SEI的XRD图谱
分别利用锂盐（LiFSI）和溶剂碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和乙二醇二甲醚（DME）配制低（LCE，1 M）和高（HCE，5 M）盐浓度电解液，然后在其中循环锂金属电池。
为将电化学性能与SEI的形成联系起来，识别和量化SEI组分至关重要。图1a显示了从循环后电池中收集的SEI样品的XRD图谱。所有LCE-SEI样品的XRD图谱均以基线平坦的尖锐布拉格峰为主导，表明晶相占优势。由于空气和毛细管的散射被扣除为背景，因此图1a中的所有信号都来自SEI组分。PC-LCE SEI的Rietveld精修（图1b）揭示了三种晶相的共存：金属锂、Li2O和LiH。Li2O已经通过其他技术在SEI中鉴定，被认为是盐和溶剂的分解产物。
对于图1a中的所有HCE-SEI样品，与LCE对应物的显著区别是出现了额外的宽凸点，这应该是非晶相或纳米微晶引起的。低角度（<3.5°）凸块归因于非晶相。大多数高角度（>3.5°）的凸点可以用LiF晶体结构很好地模拟。值得注意的是，该晶相与体相LiF完全不同，将其表示为SEI-LiF或LiF(SEI)。LiF(SEI)相（图1b）具有~3 nm的典型晶粒尺寸和~4.05 Å的晶格参数，大于体相LiF（4.026Å ）。这个较大的晶格参数可能是由两个因素引起的。首先，较小的晶粒尺寸通常导致较大的晶格参数，这是由晶体表面和周围化学物质之间的相互作用引起的。据报道，LiF可以与SEI中的其它化学物质结合。例如，碳酸乙烯酯分解产生的乙烯气体中的C=C能够与LiF中的氟原子键合。这种键合可能影响晶格参数。其次，由于LiH和LiF具有相同的面心立方结构和相似的晶格参数（LiH:4.084 Å；LiF:4.026 Å），因此可以形成LiHxF1−x的固溶体相。据报道，LiF中可溶解多达0.6LiH，形成LiH0.6F0.4。如果这种LiH和LiF的固溶体真的形成，它将大大增加离子导电性，因为Li–H键比Li–F键弱得多。
2、SEI中LiH的确认
图2（a）PC-LCE中形成的SEI的原位XRD表征；（b）暴露60 分钟后毛细管中所含SEI样品的照片；（c）暴露60 分钟后，从 “B”点提取XRD数据的Rietveld精修；（d）当分散的SEI样品暴露在空气中时，其颜色变化。
基于LiH的水分敏感性与LiF的水分稳定性，利用原位XRD进一步证实了LiH在SEI中的存在。图2a显示了暴露于湿气后SEI化学成分演变的结果。在手套箱中，在使用PC-LCE的情况下，采用环氧胶密封装有SEI样品的毛细管，然后将其带到同步辐射光束线上。在收集数据之前，将毛细管的密封件在相对湿度为40％的空气中打开。可以清楚地看到，Li0峰的强度随着暴露时间的延长而降低，并且在暴露34–38分钟后完全消失，而代表LiOH相的一组新峰的强度同时增加。此外，在34–38分钟之后，LiH峰的强度显著降低，并且在60 分钟之后大部分消失。这些结果提供了可靠的实验证据，证实在SEI中鉴定出LiH，因为只有LiH而非LiF才能与水分反应形成LiOH。在图2a中，Li0峰比LiH峰衰减得更快表明Li0可能比LiH更易与水分反应。两种反应最终都得到了相同的LiOH最终产物。在图2b区域“A”中，SEI样品具有其原始深色。相比之下，毛细管开口端附近的区域“B”显示颜色已变为白色，表明存在LiOH。图2c显示了在图2b中的点“B”处收集的XRD图谱，并且与LiOH结构具有极好的拟合。为了使SEI对空气的敏感度可视化，将原本密封的SEI样品铺在纸上，暴露在空气中，进行拍照。图2d中的这些照片显示，在暴露后1分钟内，颜色开始发生变化。5分钟后，几乎所有的SEI样本都从黑色变为白色，这表明SEI对空气暴露的敏感性很高，也说明了避免暴露在空气中的重要性。如果SEI样品暴露在空气中1分钟，它们就会分解，误认是不可避免的。
小结
这项工作利用同步辐射XRD系统地研究了低盐和高盐浓度下在碳酸酯和醚类电解液中形成的SEI的晶相和非晶成分。XRD结果清楚地表明，在低盐和高盐浓度下，结晶LiH都是SEI的重要组成部分，并且通过暴露于湿气期间XRD图谱的变化进一步证实了其化学特性。这里的XRD结果不仅证实了SEI中LiH的存在，而且还为避免在SEI中将LiH误认为LiF提供了指导。
Identification of LiH and nanocrystalline LiF in the solid–electrolyte interphase of lithium metal anodes. Nature Nanotechnology 2021.
https://doi.org/10.1038/s41565-020-00845-5
本文由月轮供稿。
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