日常生活中我們經(jīng)常用到鋰離子電池，比如手機(jī)、筆記本電腦等大多數(shù)使用鋰離子電池，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)于鋰離子電池的需求也越來(lái)越多?？墒窃阡囯x子電池造福人類的同時(shí)，它同樣存在著潛在的危險(xiǎn)，時(shí)常發(fā)生的鋰離子電池的燃燒和爆炸事故給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了很大的威脅。設(shè)計(jì)出更加安全、高性能的鋰電池是亟待解決問(wèn)題。
在液態(tài)鋰離子電池首次充放電過(guò)程中，電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層，具有固體電解質(zhì)的特征，是電子絕緣體卻是Li+ 的優(yōu)良導(dǎo)體，Li+ 可以經(jīng)過(guò)該鈍化層自由地嵌入和脫出，因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質(zhì)界面膜”( solid electrolyte interface) ，簡(jiǎn)稱SEI 膜。
SEI 膜的形成對(duì)電極材料的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。一方面，SEI 膜的形成消耗了部分鋰離子，使得首次充放電不可逆容量增加，降低了電極材料的充放電效率；另一方面，SEI 膜能大大提高了電極的循環(huán)性能和使用壽命。深入研究SEI膜的性質(zhì)及其影響因素，尋找改善SEI 膜性能的有效途徑，一直都是研究熱點(diǎn)。雖然SEI層決定了大多數(shù)電池的性能，但人們對(duì)于SEI層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的了解還非常有限。
日前，科學(xué)家使用二次離子質(zhì)譜（SIMS）實(shí)驗(yàn)手段結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)SEI層的形成與物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。
相關(guān)結(jié)果以題為“Real-time mass spectrometric characterization of the solid–electrolyte interphase of a lithium-ion battery”發(fā)表于Nature Nanotechnology 雜志（IF=33）。
論文鏈接：
https://www.nature.xilesou.top/articles/s41565-019-0618-4
在這項(xiàng)工作中，研究人員提供了鋰離子電池SEI形成的動(dòng)態(tài)圖，該鋰離子電池在操作中使用了液體-二次離子質(zhì)譜，并結(jié)合了分子動(dòng)力學(xué)模擬。研究發(fā)現(xiàn)，在任何相間化學(xué)發(fā)生之前（在初始充電期間），由于溶劑分子的自組裝，在電極/電解質(zhì)界面形成了雙電層。雙層的形成由Li +和電極表面電勢(shì)控制。這個(gè)雙層的結(jié)構(gòu)決定了最終的相界面化學(xué)性質(zhì)。
特別地，帶負(fù)電的電極表面從內(nèi)層排斥陰離子，并產(chǎn)生薄而致密的、無(wú)機(jī)的SEI內(nèi)層。正是這個(gè)致密層負(fù)責(zé)傳導(dǎo)Li +而絕緣電子。在SEI內(nèi)層形成后，會(huì)出現(xiàn)電解質(zhì)可滲透、富含有機(jī)物的外層。研究發(fā)現(xiàn)SEI內(nèi)層的主要成分為氧化鋰，否定了相界面上含有氟化鋰的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。這些實(shí)時(shí)的納米級(jí)觀測(cè)將有助于為將來(lái)的電池設(shè)計(jì)更好的界面相。