除了高容量穩(wěn)定的正負(fù)極材料，鋰離子電池（LIB）的成功應(yīng)用主要?dú)w功于在電極-電解液界面處形成良好的鈍化膜（也被稱為固體電解質(zhì)界面SEI膜），阻止了界面副反應(yīng)。SEI膜具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和成分，通常包含多種理化性質(zhì)顯著差異的有機(jī)與無機(jī)、結(jié)晶與非晶物種。在實(shí)際電池運(yùn)行過程中，SEI膜的結(jié)構(gòu)和成分會動態(tài)演變，控制著電池內(nèi)部反應(yīng)動力學(xué)和健康狀態(tài)。因此，深入揭示SEI膜的形成、生長與演化機(jī)制，對從根本上提升電池性能具有重大科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的王雪鋒特聘研究員團(tuán)隊(duì)一直聚焦電極-電解液界面動態(tài)演變過程，結(jié)合冷凍電鏡技術(shù)和其他先進(jìn)表征方法，揭示界面相在不同工況下的形成機(jī)制和演變過程。在2023年，發(fā)現(xiàn)了降低溫度導(dǎo)致電解液不徹底分解，在金屬鋰負(fù)極表面形成阻礙鋰離子傳輸?shù)母挥袡C(jī)亞穩(wěn)態(tài)SEI膜，從而提出通過“低LUMO能級+極性基團(tuán)”電解液設(shè)計(jì)策略形成富無機(jī)SEI膜來提高電池的低溫容量（Nat. Commun. 2023,14,4474）。 在此研究基礎(chǔ)上，他們繼續(xù)深入研究負(fù)極界面在不同電流密度下的形成與演變規(guī)律，揭示了電流密度會改變電解液中溶劑與鋰鹽的分解路徑（即SEI膜形成路徑）：在小電流時(shí)，電解液優(yōu)先發(fā)生單電子還原反應(yīng)，形成富含有機(jī)物的SEI界面相；在大電流密度時(shí)（快速化成），電解液優(yōu)先發(fā)生雙電子還原，形成富含無機(jī)物的SEI界面相。

圖 (a) 電流密度衍生界面演變規(guī)律示意圖；（b）界面離子傳輸阻抗；（c）不同化成制度下電極倍率性能；（d）快速化成界面結(jié)構(gòu)；（e）快速化成界面演變結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)物的形核與生長過程符合經(jīng)典形核理論，且隨著電流密度升高，生成的無機(jī)物數(shù)量顯著增多、粒徑明顯減小。同時(shí)，這些細(xì)小的無機(jī)顆粒在SEI膜內(nèi)緊密堆疊且分布均勻，一方面可為Li+提供豐富的晶界傳輸通道，有效降低Li+遷移勢壘、提升其在界面的傳輸速率，提高電池的倍率性能，另一方面致密結(jié)構(gòu)可抑制電解液的持續(xù)分解，從而保障后續(xù)快速充電過程中SEI膜的動態(tài)穩(wěn)定性。

這種界面層增強(qiáng)了界面離子傳輸，改善了石墨負(fù)極的快充性能。該研究成果突破了常規(guī)認(rèn)識，為高性能二次電池的界面設(shè)計(jì)和性能提升提供了全新思路與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

相關(guān)成果以“Rapidly-Formed Interphase Facilitating Fast-Charging Lithium-Ion Batteries”為題發(fā)表在國際頂級期刊ACS Energy Letters上。上述研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委和北京市自然科學(xué)基金的資助。

編輯：小鹿