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（圖源：PNNL官網(wǎng)）

 

       據(jù)外媒報道，美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的科學(xué)家們，將一種特殊設(shè)計(jì)的鋰離子電池裝入二次離子質(zhì)譜儀中，在電池工作過程中，從分子級別觀察SEI的形成。

 

       在很大程度上，鋰離子電池初次使用的前幾個小時，決定了它的性能。因?yàn)樵谶@段時間，一組分子會自行組合，構(gòu)成電池的內(nèi)部組成部分，即固體電解質(zhì)間相膜（SEI），并在未來幾年對電池產(chǎn)生影響。SEI膜的關(guān)鍵作用是，允許一部分粒子通過。進(jìn)一步了解SEI膜，是制造更有活力、更持久和更安全的鋰離子電池的關(guān)鍵一步。但是，SEI膜的形成始終是個謎，研究人員嘗試過多種技術(shù)，也末能從分子級別見證它的形成過程。

 

       SEI是一種非常薄的薄膜材料，在制造電池時并不存在。只有首次為電池充電時，分子才會聚集，并通過電化學(xué)反應(yīng)形成這種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如同通道，使鋰離子可以在正負(fù)極之間來回流動。最重要的是，SEI膜迫使電子繞道而行，使電池保持運(yùn)轉(zhuǎn)，并讓儲能成為可能。正是因?yàn)橛辛薙EI，鋰離子電池才能為手機(jī)、筆記本電腦和電動汽車提供動力。科學(xué)家們利用各種原材料，想要制造出最好的SEI膜。但是，不了解SEI的產(chǎn)生過程，如同廚師只有食材，卻不懂烹飪。美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（US Army Research Laboratory）的研究人員，著手研究SEI膜是如何產(chǎn)生的。

 

       研究人員利用PNNL的專利技術(shù)，將高能離子束穿入電池運(yùn)行過程中剛剛形成的SEI膜，將一些材料發(fā)送到空中，并將其捕獲以進(jìn)行分析，同時依靠表面張力幫助控制液體電解質(zhì)。然后，使用質(zhì)譜儀分析SEI材料。這項(xiàng)專利技術(shù)名為“原位液態(tài)二次離子質(zhì)譜法”（liquid SIMS），通過這項(xiàng)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)得以對SEI的形成過程進(jìn)行前所未有的觀察，解決鋰離子電池工作時出現(xiàn)的問題。PNNL研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Zihua Zhu表示：“在這項(xiàng)技術(shù)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上，我們可以科學(xué)認(rèn)識這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的分子活動。通過這些發(fā)現(xiàn)，人們有望調(diào)整電解液和電極的化學(xué)成分，從而制造出更好的電池。”

 

       PNNL團(tuán)隊(duì)聯(lián)手美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室專家Kang Xu，共同解決問題。據(jù)證實(shí)，SEI是由兩層組成的。研究小組進(jìn)一步精確了解每一層體的化學(xué)組成，并確定了電池中產(chǎn)生這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)過程。他們發(fā)現(xiàn)，靠近負(fù)極的層體結(jié)構(gòu)薄而致密，這一層排斥電子但允許鋰離子通過。外層更厚一些，就在電解液的旁邊，可以調(diào)節(jié)液體和SEI膜其余部分之間的相互作用。相比之下，內(nèi)層稍微硬一些，外層稍厚一些。

 

       本次研究結(jié)果有助于了解氟化鋰在鋰離子電池電解液中的作用。研究人員已經(jīng)證明，SEI膜的氟化鋰含量越多，電池性能越好。研究小組展示，氟化鋰如何成為SEI內(nèi)層的一部分，為如何在結(jié)構(gòu)中加入更多的氟提供幫助。Wang：“有了這項(xiàng)技術(shù)，不僅可以了解分子的存在，還能了解它們的結(jié)構(gòu)。”