Lithium-Ion Batteriesinterphase ">锂离子电池相间工程电极上的聚多巴胺涂层

《Battery Energy》：Polydopamine Coating on Electrodes for Interphase Engineering in Lithium-Ion Batteries

　　

聚多巴胺（PDA）涂层在LiCoO₂正极和石墨负极表面的应用提升了电池的倍率性能和循环性能。PDA作为人工固体电解质界面（ASEI），阻止了电解液与负极的直接接触，同时为Li⁺离子提供了离子传导路径。结果表明，在10 mA g^?1的电流密度下，LiCoO₂??PDA-coated Graphite和LiCoO₂??Graphite mixed with PDA全电池的放电容量分别高达168和198 mAh g^?1。由于抑制了电极与电解液之间的界面副反应，电池的初始库仑效率（ICE）分别达到了98.3%和99.1%。此外，PDA在正极上作为人工正极电解质界面（ACEI），减轻了电解液与活性材料之间的直接接触，同时为Li⁺离子提供了离子传导途径。因此，在10 mA g^?1的电流密度下，PDA-coated LiCoO₂??Graphite全电池的初始放电容量为168 mAh g^?1，在100次循环后降至136 mAh g^?1，保留了约68%的初始容量。更值得注意的是，LiCoO₂ mixed with PDA??Graphite全电池显示出187 mAh g^?1的高初始放电容量，在100次循环后维持142 mAh g^?1，对应于约82%的容量保持率。PDA通过将扩散系数增加至1.6 × 10^?7 cm² s^?1来增强Li⁺扩散。该研究为改善锂离子电池中基于PDA的正极和负极的循环性能提供了新的见解。

近年来，可充电锂金属电池的商业化受到不均匀锂沉积和溶解以及锂金属与电解液之间副反应的严重制约。此外，当前商业化的正极和负极面临结构和相变不稳定性、过渡金属溶解、氧气释放以及界面处电解液持续分解等挑战。不均匀的表面结构和不稳定的固体电解质界面（SEI，Solid Electrolyte Interphase）/正极电解质界面（CEI，Cathode Electrolyte Interphase）严重阻碍了高效的Li⁺传输。为解决这些安全性和循环性问题，研究人员探讨了聚多巴胺（PDA，Polydopamine）表面涂层在LiCoO₂正极和石墨负极上的应用，以及PDA在活性材料内部的复合。研究表明，PDA可作为人工SEI和人工CEI层，改善电极/电解液界面的润湿性，抑制副反应发生，从而提升锂离子电池的倍率性能和长期循环稳定性。该研究成果发表在《Battery Energy》期刊上。

研究人员使用了场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，Field Emission Scanning Electron Microscope）对电极的表面和截面形貌进行表征，确认了PDA的均匀沉积；采用电化学阻抗谱（EIS，Electrochemical Impedance Spectroscopy）、循环伏安法（CV，Cyclic Voltammetry）和恒电流间歇滴定技术（GITT，Galvanostatic Intermittent Titration Technique）测试了全电池体系的电荷转移阻抗和离子扩散系数；利用X射线衍射（XRD，X-ray Diffraction）和透射电子显微镜（TEM，Transmission Electron Microscopy）评估了电极在循环后的结构稳定性。

Characterizations
通过FE-SEM观察发现，PDA在正极和负极表面形成了均匀的涂层，涂层厚度随多巴胺添加量的增加而增加。接触角测试表明，PDA修饰显著降低了电极表面的接触角，将疏水表面转化为亲水表面，从而改善了电极与电解液的润湿性，有助于形成均匀且稳定的SEI/CEI层并降低界面阻抗。

Electrochemical Performance
通过EIS分析得出，PDA涂层和复合电极显著降低了电池的体电阻（Rbulk）、SEI电阻（RSEI）和电荷转移阻抗（Rct）。结合CV和GITT测试推导出的表观离子扩散系数，研究人员发现PDA增强了Li⁺的传输动力学，其中LiCoO₂@PDA0.1的扩散系数显著提升至1.6 × 10^?7 cm² s^?1。此外，非对称性分析表明PDA增加了电极的表面电容贡献。在全电池循环测试中，LiCoO₂||Graphite/PDA20和LiCoO₂/PDA20||Graphite电池的初始库仑效率均接近99%，展现出优异的倍率性能和抗极化能力。

Structural and Morphological Stability After Cycling
长循环后的FE-SEM和TEM图像显示，未修饰的电极表面出现了严重的降解和裂纹，而PDA修饰的电极结构保持完整，有效抑制了枝晶生长。XRD分析证实PDA未破坏石墨的晶体结构，并有助于降低循环后产生的晶格应变。通过NP（负极/正极）比计算，确保了全电池设计的物理平衡。

最后，在讨论与结论部分，研究人员总结指出，PDA表面涂层及其在活性材料中的复合是提升LiCoO₂正极和石墨负极相间稳定性和倍率性能的有效方法。PDA凭借其路易斯碱性捕获有害的HF，作为人工SEI层阻断了电解液与石墨的直接接触，并构建了离子传导网络。该策略将电荷放电容量提升至240 mAh g^?1，并表现出优异的界面稳定性，对于当前及下一代高性能锂离子电池的界面工程具有重要的应用潜力。