PNNL研究人员揭示电池首次充电SEI的形成过程

(图片来源:PNNL官网)据国外媒体报道，美国西北太平洋国家实验室(PNNL)的科学家将一种特殊设计的锂离子电池安装到了二次离子质谱仪中。在电池运行期间，在分子水平上观察到SEI的形成。在很大程度上，锂离子电池使用的最初几个小时决定了它的性能。因为在这段时间内，一组分子会自组装形成电池的内部组件——固体电解质相间膜(SEI)，并在未来几年对电池产生影响。SEI膜的关键作用是允许一部分颗粒通过。进一步了解SEI膜是制造更动态、更耐用、更安全的锂离子电池的关键一步。然而，SEI膜的形成始终是个谜，研究人员尝试了各种技术，但都没能在分子水平上见证它的形成过程。SEI是一种很薄的薄膜材料，做电池的时候是不存在的。只有当电池第一次充电时，分子才会聚集起来，通过电化学反应形成这种结构。这种结构就像一个通道，允许锂离子在正负电极之间来回流动。最重要的是，SEI膜迫使电子旁路，保持电池运行，使储能成为可能。正是因为SEI，锂离子电池才能为手机、笔记本电脑、电动车提供动力。科学家使用各种原材料来制作最好的SEI膜。但是，不了解SEI的制作流程，就像一个只有食材却不懂烹饪的厨师。西北太平洋国家实验室(PNNL)和美国能源部美国陆军研究实验室的研究人员已经开始研究SEI膜是如何产生的。研究人员利用PNNL的专利技术，将高能离子束穿透到电池运行过程中刚刚形成的SEI膜中，将一些物质发送到空气中，捕捉它们进行分析，并依靠表面张力来帮助控制液体电解质。然后，使用质谱仪分析SEI材料。这项专利技术被称为“液态模拟人生”。通过这项技术，研究团队已经能够对SEI的形成过程进行前所未有的观察，并解决锂离子电池运行过程中遇到的问题。“在这项技术的坚实基础上，我们可以科学地了解这种复杂结构中的分子活动。通过这些发现，人们有望调整电解液和电极的化学成分，从而制造出更好的电池。”PNNL团队与美国陆军研究实验室的专家康旭合作解决了这个问题。已经证实SEI由两层组成。研究小组进一步准确地了解了每一层的化学成分，并确定了在电池中产生这种结构的化学过程。他们发现负电极附近的层具有薄而致密的结构，这种结构排斥电子，但允许锂离子通过。外层更厚，就在电解质旁边，可以调节液体和SEI膜其余部分之间的相互作用。相比之下，内层略硬，外层略厚。该研究结果有助于理解锂离子电池电解液中氟化锂的作用。研究人员证明，SEI膜中的氟化锂含量越多，电池性能越好。研究小组展示了氟化锂如何成为SEI内层的一部分，帮助向结构中添加更多的氟。王:“有了这项技术，我们不仅可以了解分子的存在，还可以了解它们的结构。”

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