PNNL研究人員揭示電池首次充電SEI的形成過程

(圖片來源:PNNL官網)據國外媒體報道，美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)的科學家將一種特殊設計的鋰離子電池安裝到了二次離子質譜儀中。在電池運行期間，在分子水平上觀察到SEI的形成。在很大程度上，鋰離子電池使用的最初幾個小時決定了它的性能。因為在這段時間內，一組分子會自組裝形成電池的內部組件——固體電解質相間膜(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顆粒通過。進一步了解SEI膜是制造更動態、更耐用、更安全的鋰離子電池的關鍵一步。然而，SEI膜的形成始終是個謎，研究人員嘗試了各種技術，但都沒能在分子水平上見證它的形成過程。SEI是一種很薄的薄膜材料，做電池的時候是不存在的。只有當電池第一次充電時，分子才會聚集起來，通過電化學反應形成這種結構。這種結構就像一個通道，允許鋰離子在正負電極之間來回流動。最重要的是，SEI膜迫使電子旁路，保持電池運行，使儲能成為可能。正是因為SEI，鋰離子電池才能為手機、筆記本電腦、電動車提供動力。科學家使用各種原材料來制作最好的SEI膜。但是，不了解SEI的制作流程，就像一個只有食材卻不懂烹飪的廚師。西北太平洋國家實驗室(PNNL)和美國能源部美國陸軍研究實驗室的研究人員已經開始研究SEI膜是如何產生的。研究人員利用PNNL的專利技術，將高能離子束穿透到電池運行過程中剛剛形成的SEI膜中，將一些物質發送到空氣中，捕捉它們進行分析，并依靠表面張力來幫助控制液體電解質。然后，使用質譜儀分析SEI材料。這項專利技術被稱為“液態模擬人生”。通過這項技術，研究團隊已經能夠對SEI的形成過程進行前所未有的觀察，并解決鋰離子電池運行過程中遇到的問題。“在這項技術的堅實基礎上，我們可以科學地了解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團隊與美國陸軍研究實驗室的專家康旭合作解決了這個問題。已經證實SEI由兩層組成。研究小組進一步準確地了解了每一層的化學成分，并確定了在電池中產生這種結構的化學過程。他們發現負電極附近的層具有薄而致密的結構，這種結構排斥電子，但允許鋰離子通過。外層更厚，就在電解質旁邊，可以調節液體和SEI膜其余部分之間的相互作用。相比之下，內層略硬，外層略厚。該研究結果有助于理解鋰離子電池電解液中氟化鋰的作用。研究人員證明，SEI膜中的氟化鋰含量越多，電池性能越好。研究小組展示了氟化鋰如何成為SEI內層的一部分，幫助向結構中添加更多的氟。王:“有了這項技術，我們不僅可以了解分子的存在，還可以了解它們的結構。”

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