固体电解质界面层锂合金相的高通量筛选与界面离子输运研究

窦智; 段慧宇; 林奕希; 夏颖慧; 郑明波; 许真铭

物理化学学报 ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (03) : 56 -65.

窦智, 段慧宇, 林奕希, 夏颖慧, 郑明波, 许真铭

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摘要

固体电解质界面层(SEI)对锂离子电池的电化学性能有着重要影响，理想的SEI层应同时具备良好的电子绝缘性、较高的离子电导率，以及一定的界面机械强度来承受锂沉积/剥离行为所伴随的体积变化和抑制锂枝晶形成。构筑LiF基人工SEI层已被证明是保护固态锂离子电池负极界面的有效策略。本工作通过材料数据库挖掘技术、高通量第一性原理计算和从头算分子动力学模拟对若干锂合金进行相图计算、扩散能垒计算，以评估其热力学稳定性和锂离子扩散能力，最终筛选出27种可用于LiF基人工SEI层锂离子导电相的锂合金材料。同时，对若干锂合金的晶体结构-扩散性质进行构效关系分析发现，锂合金晶体结构类型对锂离子扩散能力的影响比其元素组分更加显著，即■族群结构的锂合金具备非常优异的锂离子输运性能，而■族群结构的锂合金扩散通道狭窄，锂离子输运性能差。此外，本计算工作发现锂离子在LiF晶体中扩散迁移是极其困难的，而在LiF晶界和LiF/LiM合金界面迁移扩散阻力极小，藉此获得人工SEI界面层中锂离子输运的物理图像。