你的“電量焦慮”有救了？西湖大學(xué)研究破解電池領(lǐng)域核心難題
手機、電腦、電動汽車、智能手表、無線耳機……我們身邊幾乎所有的便攜電子設(shè)備，都離不開鋰離子電池。作為目前最成熟、最高效的可充電電池技術(shù)，它從20世紀90年代走向商業(yè)化，如今已深入日常生活的方方面面。
那么，一塊“好用”的電池應(yīng)該具備哪些特質(zhì)？充電快、容量大、輕薄便攜？要想有針對性地提升電池性能，我們必須了解電池的內(nèi)部構(gòu)造，尤其是那層位于電極表面、至今仍充滿謎團的“保護膜”。
北京時間9月10日23時，西湖大學(xué)工學(xué)院向宇軒課題組與朱一舟課題組合作，在Nature雜志發(fā)表了題為“Probing the Heterogeneous Nature of LiF in Solid-Electrolyte Interphases”的最新研究成果。他們在二次電池電極—電解質(zhì)界面研究中取得關(guān)鍵突破：發(fā)現(xiàn)電池負極保護膜中的關(guān)鍵物質(zhì)——氟化鋰(LiF)，不是“純”的。
這一發(fā)現(xiàn)刷新了人們對電極界面層組成的傳統(tǒng)認知，為高性能二次電池中的離子傳輸機制提供了全新理論依據(jù)，也將為新一代電解液和界面材料的設(shè)計指明方向。
電池研究中的“圣杯級”難題
鋰離子電池主要由三部分構(gòu)成：正極、負極，以及允許鋰離子移動的電解質(zhì)(通常為電解液)。其中，正負極與電解質(zhì)之間的界面區(qū)域，是各類電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的核心地帶。
早在上世紀70至80年代，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，電池在充電過程中，電解液會在負極表面發(fā)生反應(yīng)，生成一層極薄的固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)膜。這層起初被視為“副產(chǎn)品”的薄膜，后來被證實能夠有效傳導(dǎo)鋰離子并抑制電解液分解，因此被認為是電池穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。
盡管大名鼎鼎，這層膜卻始終蒙著神秘面紗。
“人人都知道它重要，但它最少被人理解。大家知道它的大致組分(即成分)有什么，但到現(xiàn)在都沒有人能說出精確的組成，更不知道微觀的結(jié)構(gòu)是什么……”向宇軒解釋。
究其原因，在于這層膜極薄，通常僅幾十納米，相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的千萬分之一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且極不穩(wěn)定。它在空氣中易與水分和氧氣反應(yīng)，甚至在電子顯微鏡的電子束照射下就會分解，因此成為電池研究中公認的“圣杯級”難題。
向宇軒團隊此次的研究對象，正是這層膜中的關(guān)鍵成分——LiF(氟化鋰)。
科學(xué)突破從卡頓起步
2022年，剛從廈門大學(xué)博士畢業(yè)不久的向宇軒，通過了西湖大學(xué)的面試，入職西湖大學(xué)工學(xué)院。他志在搭建一個“能源材料先進表征實驗室”，使用包括先進的固體核磁在內(nèi)的表征技術(shù)，理解電池體系里面的復(fù)雜問題。
在過去的四十年中，科學(xué)家普遍認為LiF對電池性能至關(guān)重要，因此含氟化合物被廣泛用于商業(yè)鋰電池，以在電極表面構(gòu)筑富含LiF的保護層，從而提高電池循環(huán)壽命與安全性。然而一個未解的“悖論”始終存在：塊狀純凈的LiF離子電導(dǎo)率極低，幾乎不導(dǎo)電，這與它在電池中所起的積極作用明顯矛盾。
許多科學(xué)突破，經(jīng)常從某一刻的卡頓起步。
在一次實驗中，向宇軒注意到電池中LiF的核磁共振譜圖與標準樣品存在細微差異——譜線中多出了一處微小“鼓包”。這個在旁人眼中容易被忽略的細節(jié)，卻引起了他的高度警覺。
肉眼看，這個奇怪之處近乎微小不可辨，但向宇軒像被閃電擊中了，他立刻決定：追！于是，團隊立即調(diào)整研究方向，從原本關(guān)注“LiF有多少”，轉(zhuǎn)向追問“LiF到底是什么”。
最終，團隊與復(fù)旦大學(xué)宋云教授合作證實，該未知信號正來源于含氫量較高的Li-H-F相。也就是說，電池負極保護膜中的LiF并非純凈物，而是一種由鋰、氟、氫共同構(gòu)成的固溶體。這一結(jié)論也得到了同步輻射X射線衍射(XRD)與冷凍電鏡(cryo-EM)的進一步支持。
交叉學(xué)科帶來的創(chuàng)新活力
那么，這種“不純”的LiF是否正是提升電池性能的關(guān)鍵？
本次論文合作者朱一舟課題組通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，鋰離子在含氫環(huán)境中的遷移能壘顯著降低，說明氫的摻入的確有助于鋰離子傳輸，從而提升電池性能。
團隊進一步在不同電解液體系的電池中展開測試，結(jié)果一致表明：在高性能電池中，往往伴隨更高比例的Li-H-F相存在。尤其是在被視為下一代高能量電池的鋰金屬體系中，含氫LiF也表現(xiàn)出更優(yōu)異的電化學(xué)性能。
這項研究，為LiF的“導(dǎo)電悖論”提供了一個全新的科學(xué)解釋。
一項顛覆性發(fā)現(xiàn)，不僅源于科研人員的敏銳與堅持，也離不開學(xué)科交叉帶來的創(chuàng)新活力。
向宇軒表示，課題曾一度陷入停滯，直到在學(xué)術(shù)會議上結(jié)識了做儲氫研究的宋云教授，才得以合成關(guān)鍵樣品�！案粜腥绺羯�，她們也不知道電池中的LiF會有這樣的信號�！庇嬎銓＜抑煲恢劢淌诘脑缙诩尤耄矠榧僬f建立與驗證提供了關(guān)鍵支持。
如今，向宇軒正帶領(lǐng)團隊繼續(xù)進軍電池更深層的奧秘，有望推動更高性能、更安全電池的研發(fā)與設(shè)計。
(本文圖片由西湖大學(xué)供圖)
記者 林辰辰 通訊員 張弛
