鋰金屬被視為是高能量密度電池極具潛力的負極材料，然而這類電池存在著嚴重的鋰枝晶問題。電池循環過程中，不穩定的鋰生長源自於負極表面電化學反應不均勻，這些可歸因於鋰電極與電解質交界處介面薄膜之電、化性不均勻性，這層膜常被稱為固態電解質介面膜(SEI)。SEI之鈍化特性，例如機械性質與離子電導率，為影響電化學沈積之穩定性之關鍵因素，但由於其奈米級結構與複雜組成成份，我們目前對於該介面膜理解仍相當侷限。本研究計畫主要利用反應分子動力學(reactive force-field molecular dynamics)探討固態電解質介面膜生長機制，此模擬方法能準確描述複雜化學反應中化學鍵斷裂與形成之動力學。研究中討論了兩種不同的電解質系統，包含傳統電解質（EC/DEC，重量比為 1:1）和添加硝酸鋰LiNO3添加劑的EC/DEC電解質。傳統電解質中的模擬結果顯示了自下而上(bottom-up)的 SEI 生長順序，解釋了實驗室經常觀察到具備無機晶粒隨機分散在整個無定形聚合物之馬賽克(mosaic) SEI，而使用硝酸鋰作為電解質添加劑則會大大改變電解質的分解行為以及 SEI 化學成分和結構。 硝酸鋰的優先還原機制抑制了電解質的分解，因此，我們觀察到具有雙層結構的富含無機物的 SEI，其中硝酸鋰還原產物均勻分佈在無定形基質的頂部。由於這些含氮化合物的高離子電導率，這些含氮化合物在 SEI 表面的空間排列提高了鋰離子通過 SEI 遷移的均勻性。透過在拉伸變形模擬中檢查這些模擬界面層的機械行為，我們發現SEI 在LiNO3 電解質中的機械性能較差。 硝酸鋰的分解增加了介面層的孔隙率，機械性能的下降歸因於LiNO3電解液中鬆散的SEI結構。整體而言，本研究之結果增進我們對鋰電極和電解質之間介面膜演變、生長順序、組成和結構特徵在原子級了尺度上的瞭解。 (應力所陳志鴻教授提供) 圖1 ：反應分子動力學模擬固態電解質介面膜於不同電解液之成長行為。 圖2 ：不同電解液中固態電解質介面膜於拉伸試驗中之機械性質表現。
鋰金屬被視為是高能量密度電池極具潛力的負極材料，然而這類電池存在著嚴重的鋰枝晶問題。電池循環過程中，不穩定的鋰生長源自於負極表面電化學反應不均勻，這些可歸因於鋰電極與電解質交界處介面薄膜之電、化性不均勻性，這層膜常被稱為固態電解質介面膜(SEI)。SEI之鈍化特性，例如機械性質與離子電導率，為影響電化學沈積之穩定性之關鍵因素，但由於其奈米級結構與複雜組成成份，我們目前對於該介面膜理解仍相當侷限。本研究計畫主要利用反應分子動力學(reactive force-field molecular dynamics)探討固態電解質介面膜生長機制，此模擬方法能準確描述複雜化學反應中化學鍵斷裂與形成之動力學。研究中討論了兩種不同的電解質系統，包含傳統電解質（EC/DEC，重量比為 1:1）和添加硝酸鋰LiNO3添加劑的EC/DEC電解質。傳統電解質中的模擬結果顯示了自下而上(bottom-up)的 SEI 生長順序，解釋了實驗室經常觀察到具備無機晶粒隨機分散在整個無定形聚合物之馬賽克(mosaic) SEI，而使用硝酸鋰作為電解質添加劑則會大大改變電解質的分解行為以及 SEI 化學成分和結構。 硝酸鋰的優先還原機制抑制了電解質的分解，因此，我們觀察到具有雙層結構的富含無機物的 SEI，其中硝酸鋰還原產物均勻分佈在無定形基質的頂部。由於這些含氮化合物的高離子電導率，這些含氮化合物在 SEI 表面的空間排列提高了鋰離子通過 SEI 遷移的均勻性。透過在拉伸變形模擬中檢查這些模擬界面層的機械行為，我們發現SEI 在LiNO3 電解質中的機械性能較差。 硝酸鋰的分解增加了介面層的孔隙率，機械性能的下降歸因於LiNO3電解液中鬆散的SEI結構。整體而言，本研究之結果增進我們對鋰電極和電解質之間介面膜演變、生長順序、組成和結構特徵在原子級了尺度上的瞭解。 (應力所陳志鴻教授提供)
圖1 ：反應分子動力學模擬固態電解質介面膜於不同電解液之成長行為。
圖2 ：不同電解液中固態電解質介面膜於拉伸試驗中之機械性質表現。