來(lái)源：Astroys 
科學(xué)家們的這個(gè)發(fā)現(xiàn)或許將會(huì)推進(jìn)鋰電池技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

鋰電池使用的頭幾個(gè)小時(shí)很大程度上決定了它的性能。在那些時(shí)刻，一組分子會(huì)自行組合成電池內(nèi)部的一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將在未來(lái)幾年內(nèi)影響電池。

對(duì)鋰電池有一定知識(shí)基礎(chǔ)的人可能會(huì)知道，這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為固體電解質(zhì)間相或SEI（solide-electrolyte interphase），它的關(guān)鍵作用是在阻止某些顆粒的同時(shí)，允許其它顆粒通過(guò)。打個(gè)比方，就好像我們小區(qū)目前實(shí)施的出入管理一樣，只有持有本小區(qū)通行證的人才能進(jìn)入小區(qū)，外來(lái)人員一律不讓進(jìn)。對(duì)于在該領(lǐng)域研究了數(shù)十年的科學(xué)家而言，該結(jié)構(gòu)一直是個(gè)謎。研究人員利用了各種技術(shù)試圖來(lái)獲得更多信息，但直到現(xiàn)在，他們還未在分子水平上目睹過(guò)它的形成。



了解更多有關(guān)SEI的信息，這是開(kāi)發(fā)出更具活力、壽命更長(zhǎng)、更安全的鋰電池的關(guān)鍵一步。

這項(xiàng)研究發(fā)表在1月27日的《自然納米技術(shù)（Nature Nanotechnology）》雜志上，是由美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）和美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)完成的。研究結(jié)果作者包括PNNL的Zihua Zhu、Chongmin Wang和Zhijie Xu，以及美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的Kang Xu。

為什么鋰電池可以正常工作：SEI

SEI是非常薄的材料薄膜，在電池剛生產(chǎn)出來(lái)時(shí)并不存在。只有當(dāng)電池第一次充電時(shí)，分子才會(huì)聚集并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成這種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)就像一個(gè)通道，允許鋰離子在負(fù)極和正極之間來(lái)回流動(dòng)。至關(guān)重要的是，SEI迫使電子繞行，從而使電池保持運(yùn)行，并使能量存儲(chǔ)成為可能。

正是因?yàn)橛辛薙EI，我們才有了為手機(jī)、筆記本和電動(dòng)車(chē)提供動(dòng)力的鋰電池。

但科學(xué)家需要更多地了解這種網(wǎng)關(guān)（通道）結(jié)構(gòu)。是哪些物質(zhì)將鋰電池中的不同物質(zhì)分開(kāi)的？電解質(zhì)中需要包含什么化學(xué)物質(zhì)，以及在什么濃度下這些分子才能形成最有用的SEI結(jié)構(gòu)，從而使它們不會(huì)不停地從電解質(zhì)中吸收分子，造成電池性能的損害？

科學(xué)家研究了各種成分，預(yù)測(cè)它們將如何結(jié)合起來(lái)形成最佳結(jié)構(gòu)。但如果沒(méi)有更多關(guān)于SEI是如何生成的知識(shí)，科學(xué)家們就會(huì)像廚師在有限食材之間來(lái)回變換一樣，只能使用一種不完全的食譜。

用新技術(shù)探索鋰電池
為了幫助科學(xué)家更好地了解SEI，該團(tuán)隊(duì)使用了PNNL的專(zhuān)利技術(shù)來(lái)分析結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程。科學(xué)家使用高能離子束將其隧穿到工作電池中剛形成的SEI中，將其中的一些物質(zhì)發(fā)送到空氣中并捕獲它進(jìn)行分析，同時(shí)依靠表面張力來(lái)幫助控制液體電解質(zhì)。然后，研究小組使用質(zhì)譜儀分析了SEI的成分。

這項(xiàng)被稱(chēng)為“原位液體二次離子質(zhì)譜法”或“液體SIMS”的專(zhuān)利技術(shù)，使研究小組得以在SEI形成時(shí)對(duì)其進(jìn)行前所未有的觀察，并避免了鋰電池工作時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。該技術(shù)是由Zhu領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在PNNL的同事Xiao-Ying Yu之前的SIMS工作的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的。

他說(shuō)：“我們的技術(shù)使我們對(duì)這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的分子活性有了扎實(shí)的科學(xué)認(rèn)識(shí)。這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)幫助其他人調(diào)節(jié)電解質(zhì)和電極的化學(xué)成分，從而制造出更好的電池。”

美國(guó)陸軍和PNNL合作
PNNL的團(tuán)隊(duì)與美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室研究員、電解質(zhì)和SEI專(zhuān)家Kang Xu進(jìn)行了合作，他們共同解決了這個(gè)問(wèn)題。

科學(xué)家們證實(shí)了研究人員的猜測(cè)，即SEI是由兩層組成的。但研究小組做了更深入的工作，詳細(xì)說(shuō)明了每一層的精確化學(xué)組成，并確定了電池中產(chǎn)生這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)步驟。

研究小組發(fā)現(xiàn)，靠近負(fù)極的一層結(jié)構(gòu)薄而致密，這一層排斥電子但允許鋰離子通過(guò)。緊鄰電解質(zhì)的外層較厚，可調(diào)節(jié)液體與SEI其余部分之間的相互作用。內(nèi)層較硬，而外層則較易流動(dòng)，有點(diǎn)像燕麥片在未煮熟和煮熟的狀態(tài)之間的區(qū)別。

氟化鋰的作用

該研究的結(jié)果之一是更好地了解了氟化鋰在鋰電池電解質(zhì)中的作用。包括Kang Xu在內(nèi)的數(shù)名研究人員已經(jīng)證明，富含氟化鋰的SEI的電池性能更好。研究小組展示了氟化鋰是如何成為SEI內(nèi)層的一部分，這些發(fā)現(xiàn)為如何在結(jié)構(gòu)中加入更多的氟提供了線(xiàn)索。

Wang說(shuō)：“通過(guò)這種技術(shù)，你不僅可以了解存在什么分子，還可以了解它們的結(jié)構(gòu)。這就是這項(xiàng)技術(shù)的美妙之處。”