二维BA2PbI4薄膜中锂离子嵌入的多技术表征及其在锂离子电池中的应用研究

这篇研究通过原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱等多技术联用，揭示了二维BA2PbI4钙钛矿薄膜与含锂电解质的界面相互作用机制。研究发现，即使在无电化学极化条件下，电解质仍会引发钙钛矿表面形貌重构；电化学循环后，电解液分解产物进一步形成固态副产物（SEI）。该工作为钙钛矿材料在锂离子电池（LIBs）中的性能优化提供了关键界面科学依据。

　　

1 引言

有机-无机杂化钙钛矿因其优异的光电特性在太阳能电池、发光二极管等领域备受关注。近年来，其在锂离子电池（LIBs）中的应用潜力逐渐显现，特别是二维Ruddlesden-Popper型钙钛矿BA₂PbI₄（BA为丁铵离子）展现出独特的锂离子嵌入能力。该材料由交替的PbI₄平面和双层有机铵离子构成，其开放框架结构有利于锂离子（Li⁺）通过插层或转化反应嵌入。然而，电极/电解质界面的演变机制尚不明确，亟需结合微观形貌与光谱分析技术进行解析。

2 实验方法

研究采用旋涂法在氟掺杂氧化锡（FTO）和铜（Cu）基底上制备BA₂PbI₄薄膜，并在氩气环境中组装模拟电池。通过原子力显微镜（AFM）的轻敲模式获取表面形貌和相图，结合632 nm激发光的拉曼光谱（避免材料光损伤）表征化学组成。电化学测试采用1 M双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）/DOL-DME电解液，扫描速率为0.5 mV/s。

3 结果与讨论

3.1 形貌演化

未循环的钙钛矿薄膜在Cu基底上呈现粗糙表面，而组装电池后（未施加电压）即出现显著平整化，相图中出现化学性质异常的凹陷区域。有趣的是，仅通过机械加压和电解液接触，薄膜便从黄色变为深蓝色，暗示压力可能促进Li⁺自发迁移。电化学循环后，表面粗糙度激增（数十纳米起伏），AFM相图显示均匀分布的异质区域，能谱（EDX）检测到硫（S）、氟（F）等电解液分解元素，证实固态电解质界面（SEI）的形成。

3.2 光谱学证据

拉曼光谱在750 cm^-1处捕获到TFSI^-阴离子的特征峰。电化学循环后，该峰分裂为760 cm^-1的肩峰，对应LiTFSI盐的聚集态沉淀。空间分辨谱图显示：浅色区域以TFSI^-信号为主，而深色区域出现1080 cm^-1的碳酸锂（Li₂CO₃）特征峰，反映SEI化学组成的空间异质性。基底Cu₂O的400-700 cm^-1宽峰在所有样品中稳定存在，说明基底未被电解液腐蚀。

4 结论

研究首次阐明二维BA₂PbI₄钙钛矿在LIBs应用中的界面行为：Cu基底可避免FTO的锂化副反应；电解液渗透引发自发Li⁺嵌入并重构表面形貌；电化学循环促使TFSI^-和Li₂CO₃共同构成复合SEI层。该成果为开发钙钛矿基电池的界面调控策略提供了实验基础。