PNNL研究人员揭示电池首次充电时SEI的形成过程

（图源：PNNL官网）

据外媒报道，美国西北太平洋国家实验室（PNNL）的科学家们，将一种特殊设计的锂离子电池装入二次离子质谱仪中，在电池工作过程中，从分子级别观察SEI的形成。

在很大程度上，锂离子电池初次使用的前几个小时，决定了它的性能。因为在这段时间，一组分子会自行组合，构成电池的内部组成部分，即固体电解质间相膜（SEI），并在未来几年对电池产生影响。SEI膜的关键作用是，允许一部分粒子通过。进一步了解SEI膜，是制造更有活力、更持久和更安全的锂离子电池的关键一步。但是，SEI膜的形成始终是个谜，研究人员尝试过多种技术，也末能从分子级别见证它的形成过程。

SEI是一种非常薄的薄膜材料，在制造电池时并不存在。只有首次为电池充电时，分子才会聚集，并通过电化学反应形成这种结构。这种结构如同通道，使锂离子可以在正负极之间来回流动。最重要的是，SEI膜迫使电子绕道而行，使电池保持运转，并让储能成为可能。正是因为有了SEI，锂离子电池才能为手机、笔记本电脑和电动汽车提供动力。科学家们利用各种原材料，想要制造出最好的SEI膜。但是，不了解SEI的产生过程，如同厨师只有食材，却不懂烹饪。美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）和美国陆军研究实验室（US Army Research Laboratory）的研究人员，着手研究SEI膜是如何产生的。

研究人员利用PNNL的专利技术，将高能离子束穿入电池运行过程中刚刚形成的SEI膜，将一些材料发送到空中，并将其捕获以进行分析，同时依靠表面张力帮助控制液体电解质。然后，使用质谱仪分析SEI材料。这项专利技术名为“原位液态二次离子质谱法”（liquid SIMS），通过这项技术，研究团队得以对SEI的形成过程进行前所未有的观察，解决锂离子电池工作时出现的问题。PNNL研究团队负责人 Zihua Zhu表示：“在这项技术的坚实基础上，我们可以科学认识这种复杂结构中的分子活动。通过这些发现，人们有望调整电解液和电极的化学成分，从而制造出更好的电池。”

PNNL团队联手美国陆军研究实验室专家Kang Xu，共同解决问题。据证实，SEI是由两层组成的。研究小组进一步精确了解每一层体的化学组成，并确定了电池中产生这种结构的化学过程。他们发现，靠近负极的层体结构薄而致密，这一层排斥电子但允许锂离子通过。外层更厚一些，就在电解液的旁边，可以调节液体和SEI膜其余部分之间的相互作用。相比之下，内层稍微硬一些，外层稍厚一些。

本次研究结果有助于了解氟化锂在锂离子电池电解液中的作用。研究人员已经证明，SEI膜的氟化锂含量越多，电池性能越好。研究小组展示，氟化锂如何成为SEI内层的一部分，为如何在结构中加入更多的氟提供帮助。Wang：“有了这项技术，不仅可以了解分子的存在，还能了解它们的结构。”