科学家进一步了解锂离子电池寿命的最初几个小时

新技术可在纳米分子内部查看自组装通道结构的分子图

锂离子电池寿命的头几个小时很大程度上决定了其性能。在那些时刻，一组分子自组装成电池内部的结构，这将在未来几年内影响电池。

该成分被称为固体电解质中间相或SEI，具有至关重要的作用，即阻止某些粒子同时允许其他粒子通过，例如酒馆的保镖可以抑制不希望的杂质，同时又可以使之闪光。对于研究了数十年的科学家而言，该结构一直是一个谜。研究人员利用多种技术来学习更多，但是直到现在为止，如果他们在分子水平上目睹了它的创造，就永远不会。

了解更多有关SEI的信息，这是打造更具活力，寿命更长，更安全的锂离子电池道路上的关键一步。

1月27日发表在《自然纳米技术》上的这项工作是由一个国际科学家团队完成的，该团队由美国能源部太平洋西北国家实验室 和美国陆军研究实验室的研究人员领导 。通讯作者包括PNNL的朱子华，王崇敏和许志杰，以及美国陆军研究实验室的徐康。

为什么锂离子电池可以正常工作：SEI

固体电解质中间相是非常薄的材料薄膜，首次制造电池时不存在。仅当电池第一次充电时，分子才会聚集并发生电化学反应以形成结构，该结构充当允许锂离子在阳极和阴极之间来回传递的通道。至关重要的是，SEI迫使电子绕行，这使电池保持运行并可以进行 能量存储 。

由于SEI的缘故，我们完全没有锂离子电池可以为手机，笔记本电脑和电动汽车供电。

但是科学家需要更多地了解这种网关结构。哪些因素将锂离子电池中的闪光与from子分开?电解质中需要包含什么化学物质，以及什么浓度，分子才能形成最有用的SEI结构，以使它们不会持续从电解质中吸收分子，从而损害电池性能?

科学家研究各种成分，预测它们将如何结合以形成最佳结构。但是，如果没有更多关于如何生成固态电解质界面的知识，科学家们就像厨师一样，在处理仅部分编写的食谱。

用新技术探索锂离子电池

为了帮助科学家更好地了解SEI，该团队使用了PNNL的专利技术来分析结构的创建过程。科学家使用高能离子束将其隧穿到工作电池中刚形成的SEI中，将其中的一些物质空运并捕获以进行分析，同时依靠表面张力来帮助容纳液体电解质。然后，团队使用质谱仪分析了SEI组件。

获得专利的方法被称为原位液体二次离子质谱法或液体SIMS，使团队能够对SEI形成前所未有的外观，并避免工作的锂离子电池所出现的问题。这项技术 是由 朱(Zhu)领导的团队在PNNL同事Yu Xiao-Ying Yu先前SIMS工作的 基础上创造的。

朱说：“我们的技术使我们对这种复杂结构中的分子活性有扎实的科学理解。” “这些发现有可能帮助其他人调整电解质和电极的化学成分，从而 制造出更好的电池。”

美国陆军和PNNL研究人员合作

PNNL小组与美国陆军研究实验室研究员，电解质和SEI专家Kang Xu联系在一起，他们共同解决了这个问题。

科学家证实了研究人员的怀疑-SEI由两层组成。但是该团队走得更远，指定了每一层的精确化学组成，并确定了电池中发生的化学步骤以实现结构。

研究小组发现，阳极旁边的一层结构薄而致密。这是排斥电子但允许锂离子通过的层。紧邻电解质的外层较厚，可介导液体与SEI其余部分之间的相互作用。内层较硬，而外层则较易流动，有点像煮熟的燕麦片和煮过的燕麦片之间的区别。

氟化锂的作用

该研究的结果之一是更好地了解了氟化锂在锂离子电池所用电解质中的作用。包括徐康在内的数名研究人员表明，含SEI富含氟化锂的电池性能更好。研究小组展示了氟化锂如何成为SEI内层的一部分，这些发现为如何将更多的氟掺入结构提供了线索。

Wang 说：“通过这种技术，您不仅可以了解存在什么分子，还可以了解它们的结构。” “这就是这项技术的美。”

发表在《自然纳米技术》上的研究的PNNL部分 由PNNL，美国能源部能源效率和可再生能源办公室的车辆技术办公室以及美国与德国的储能合作组织资助。 康旭的 工作是由美国能源部科学储能研究联合中心办公室资助的 。 液态SIMS分析是在EMSL(环境分子科学实验室)完成的， EMSL是位于PNNL的DOE科学办公室的用户设施。