中科院理論物理所在鋰電池固體-電解液界面層特性研究中取得進(jìn)展

鋰電池早已進(jìn)入人們生活的方方面面，怎么樣設(shè)計(jì)出更加安全、高性能的鋰電池是大家十分關(guān)心的問題。在鋰電池充放電過程中，電極材料和電解質(zhì)溶液在固液界面上會(huì)發(fā)生反應(yīng)，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層，稱為固體―電解液界面（SEI，solidelectrolyteinterface）層。研究人員發(fā)現(xiàn)SEI層決定了大多數(shù)電池的性能，但人們關(guān)于SEI層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的了解還非常有限。

我國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員王延颋、博士研究生蘇茂和美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）朱梓華課題組合作，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層的形成和物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于NatureNanotechnology雜志。

鋰電池在首次充電時(shí)，在任何相界面化學(xué)發(fā)生之前，由于鋰離子和電極表面勢(shì)的用途，溶劑分子會(huì)在電極和電解液界面上迅速自組裝形成電雙層。這一電雙層的結(jié)構(gòu)決定了電池的相界面化學(xué)性質(zhì)。特別地，當(dāng)電極充上負(fù)電荷時(shí)，其表面的電雙層結(jié)構(gòu)會(huì)排空陰離子（如氟離子等），從而形成一層很薄的、稠密的、無機(jī)的SEI內(nèi)層。這個(gè)稠密層的重要功能是傳導(dǎo)鋰離子而絕緣電子。SEI內(nèi)層形成之后，會(huì)進(jìn)一步形成富含有機(jī)分子、可以滲透到電解液當(dāng)中的外層。研究發(fā)現(xiàn)SEI內(nèi)層的重要成分為氧化鋰，否定了相界面上含有氟化鋰的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。對(duì)某些種類的電池而言，由于氟離子在相界面上起著非常重要的用途，必須引入含氟的溶劑或者添加劑。

該項(xiàng)研究解決了長(zhǎng)期困擾人們的SEI層特性的問題。