郑洪河&王艳EnSM：类LiTFSI结构界面层，助力20C高倍率硅负极！

为克服硅（Si）负极体积变化引起的严重副反应，优化和构建坚固的固体电解质界面（SEI）是构建高能量密度硅基锂离子电池的先决条件。

苏州大学郑洪河、王艳等结合电解液设计和表面改性的优势，在Si表面构建了具有电解液添加剂功能的苯基三氟甲磺酰亚胺（PTFSI，具有双三氟甲磺酰基亚胺锂结构）界面层。

图1. Si@PTFSI的合成示意

LiTFSI是锂离子电池中重要的电解液添加剂，可通过形成薄而致密的SEI层有效提高Si负极的电化学性能。然而，LiTFSI易溶于水，构建在Si表面的LiTFSI界面层不能稳定地保持在水性粘结剂体系中。因此，作者选择了具有类似LiTFSI结构的功能性有机分子，苯基三氟甲磺酰亚胺（PTFSI）。由于锂离子被苯环取代，PTFSI不溶于水，但溶于甲醇，这使得PTFSI可以作为Si表面稳定的界面调节剂。

因此，在这项工作中，作者通过一种简单的方法在Si表面构建了PTFSI分子层。光谱表征证明超薄PTFSI层通过氢键固定在Si表面（表示为Si@PTFSI），并通过电化学反应转化为坚固的界面层。所得的PTFSI界面层调节了电极/电解质界面的溶剂化/脱溶剂化反应机制，促进了具有低聚物和富集无机盐（Li₂S、Li₂O、LiF 和 Li-CF₃）复合结构的稳定SEI膜的构建，提供了快速的Li⁺和有效的电子传输途径，减少了电解液的分解反应，并保持硅颗粒形状和电极结构的完整性。

图2. Si@PTFSI的电化学性能

因此，结合上述优点，PTFSI层显著提高了Si电极的电化学性能。优化后的Si@PTFSI负极的初始库伦效率(ICE)为91.5%，在0.5 C下循环300次后，仍保持1241.9 mAh g^-1；在10和20 C时，它仍然分别提供2146.1和1143.2 mAh g^-1。

相比之下，在相同条件下，裸Si负极几乎没有容量保留。此外，LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂//Si@PTFSI全电池在300次循环后具有120.1 mAh g^-1的高可逆容量，中值电压可以稳定在3.2 V左右。这项工作表明PTFSI作为界面调节剂和SEI前驱体在促进Si负极在下一代高能量密度锂离子电池中的商业应用方面前景广阔。

图3. Si@PTFSI循环后的XPS表征

A versatile LiTFSI-like anchor for constructing robust interfacial layers with tailored structures for silicon anodes. Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.08.037

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