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（圖源：PNNL官網）

 

       據外媒報道，美國西北太平洋國家實驗室（PNNL）的科學家們，將一種特殊設計的鋰離子電池裝入二次離子質譜儀中，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。因為在這段時間，一組分子會自行組合，構成電池的內部組成部分，即固體電解質間相膜（SEI），并在未來幾年對電池產生影響。SEI膜的關鍵作用是，允許一部分粒子通過。進一步了解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，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，并通過電化學反應形成這種結構。這種結構如同通道，使鋰離子可以在正負極之間來回流動。最重要的是，SEI膜迫使電子繞道而行，使電池保持運轉，并讓儲能成為可能。正是因為有了SEI，鋰離子電池才能為手機、筆記本電腦和電動汽車提供動力。科學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驗室（PNNL）和美國陸軍研究實驗室（US Army Research Laboratory）的研究人員，著手研究SEI膜是如何產生的。

 

       研究人員利用PNNL的專利技術，將高能離子束穿入電池運行過程中剛剛形成的SEI膜，將一些材料發送到空中，并將其捕獲以進行分析，同時依靠表面張力幫助控制液體電解質。然后，使用質譜儀分析SEI材料。這項專利技術名為“原位液態二次離子質譜法”（liquid SIMS），通過這項技術，研究團隊得以對SEI的形成過程進行前所未有的觀察，解決鋰離子電池工作時出現的問題。PNNL研究團隊負責人 Zihua Zhu表示：“在這項技術的堅實基礎上，我們可以科學認識這種復雜結構中的分子活動。通過這些發現，人們有望調整電解液和電極的化學成分，從而制造出更好的電池。”

 

       PNNL團隊聯手美國陸軍研究實驗室專家Kang Xu，共同解決問題。據證實，SEI是由兩層組成的。研究小組進一步精確了解每一層體的化學組成，并確定了電池中產生這種結構的化學過程。他們發現，靠近負極的層體結構薄而致密，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，可以調節液體和SEI膜其余部分之間的相互作用。相比之下，內層稍微硬一些，外層稍厚一些。

 

       本次研究結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內層的一部分，為如何在結構中加入更多的氟提供幫助。Wang：“有了這項技術，不僅可以了解分子的存在，還能了解它們的結構。”