在液態鋰離子電池首次充放電過程中,電極材料與電解液在固液相界面上發生反應,形成一層覆蓋於電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層,具有固體電解質的特徵,是電子絕緣體卻是Li+ 的優良導體,Li+ 可以經過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為
“固體電解質界面膜”( solid electrolyte interface) ,簡稱SEI 膜。
SEI 膜的形成對電極材料的性能產生至關重要的影響。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性能和使用壽命。深入研究SEI膜的性質及其影響因素，尋找改善SEI 膜性能的有效途徑，一直都是研究熱點。雖然SEI層決定了大多數電池的性能，但人們對於SEI層的結構和性質的瞭解還非常有限。
日前，科學家使用二次離子質譜（SIMS）實驗手段結合分子動力學模擬方法對SEI層的形成與物理化學性質進行了研究。相關結果以題為“Real-time mass spectrometric characterization of the solid–electrolyte interphase of a lithium-ion battery”發表於Nature Nanotechnology 雜誌（IF=33）。
論文鏈接：
https://www.nature.xilesou.top/articles/s41565-019-0618-4
在這項工作中，研究人員提供了鋰離子電池SEI形成的動態圖，該鋰離子電池在操作中使用了液體-二次離子質譜，並結合了分子動力學模擬。研究發現，在任何相間化學發生之前（在初始充電期間），由於溶劑分子的自組裝，在電極/電解質界面形成了雙電層。雙層的形成由Li +和電極表面電勢控制。這個雙層的結構決定了最終的相界面化學性質。
固液界面原位分析示意圖
本文提出的SEI模型
特別地，帶負電的電極表面從內層排斥陰離子，併產生薄而緻密的、無機的SEI內層。正是這個緻密層負責傳導Li +而絕緣電子。在SEI內層形成後，會出現電解質可滲透、富含有機物的外層。研究發現SEI內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觀點。這些實時的納米級觀測將有助於為將來的電池設計更好的界面相。（來源：材料科學與工程公眾號）
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