科學家們進一步了解了鋰離子電池壽命的最初幾個小時。 在那些時刻，一組分子自組裝成電池內部的結構，這將在未來幾年內影響電池。 現在，科學家已經目睹了在分子水平上形成固體電解質中間相的過程。
該成分被稱為固體電解質中間相或SEI，它的關鍵工作是阻止某些顆粒，同時允許其他顆粒通過，例如酒館的保鏢，可以防止不希望的雜質進入，而使晶瑩剔透。 對於研究了數十年的科學家而言，該結構一直是一個謎。
了解更多有關SEI的信息，這是打造更具活力，壽命更長，更安全的鋰離子電池道路上的關鍵一步。
1月27日發表在《自然納米技術》上的這項工作是由一個國際科學家團隊完成的，該團隊由美國能源部太平洋西北國家實驗室和美國陸軍研究實驗室的研究人員領導。 通訊作者包括PNNL的朱子華，王崇敏和許志傑，以及美國陸軍研究實驗室的許康。
為什麼鋰離子電池可以正常工作：SEI
固體電解質中間相是非常薄的材料薄膜，首次製造電池時不存在。僅當電池第一次充電時，分子才會聚集並發生電化學反應以形成結構，該結構充當允許鋰離子在陽極和陰極之間來回傳遞的通道。至關重要的是，SEI迫使電子繞行，這使電池保持運行並可以進行能量存儲。
由於SEI的緣故，鋰離子電池才可以為手機，筆記本電腦和電動汽車供電。
但是科學家需要更多地了解這種網關結構。哪些因素將鋰離子電池中的閃光與from子分開？電解質中需要包含什麼化學物質，以及什麼濃度，分子才能形成最有用的SEI結構，以使它們不會持續從電解質中吸收分子，從而損害電池性能？
科學家研究各種成分，預測它們將如何結合以形成最佳結構。但是，如果沒有更多關於如何生成固態電解質界面的知識，科學家們就像廚師一樣，在處理僅部分編寫的食譜。
用新技術探索鋰離子電池
為了幫助科學家更好地了解SEI，該團隊使用了PNNL的專利技術來分析結構的創建過程。科學家使用高能離子束將其隧穿到工作電池中剛形成的SEI中，將其中的一些物質空運並捕獲以進行分析，同時依靠表面張力來幫助容納液體電解質。然後，團隊使用質譜儀分析了SEI組件。
獲得專利的方法被稱為原位液體二次離子質譜法或液體SIMS，使團隊能夠對SEI形成前所未有的外觀，並避免工作的鋰離子電池所出現的問題。該技術是由朱子華領導的團隊在PNNL同事余曉英以前的SIMS工作基礎上開發的。
他說：“我們的技術使我們對這種複雜結構中的分子活性有紮實的科學認識。” “這些發現可能會幫助其他人定制電解質和電極的化學成分，從而製造出更好的電池。”
美國陸軍和PNNL研究人員合作
PNNL小組與美國陸軍研究實驗室研究員，電解質和SEI專家Kang Xu聯繫在一起，他們共同解決了這個問題。
科學家證實了研究人員的懷疑-SEI由兩層組成。 但是該團隊走得更遠，指定了每一層的精確化學組成，並確定了電池中發生的化學步驟以實現結構。
研究小組發現，陽極旁邊的一層結構薄而緻密。 這是排斥電子但允許鋰離子通過的層。 緊鄰電解質的外層較厚，可介導液體與SEI其餘部分之間的相互作用。 內層較硬，而外層則較易流動，有點像煮熟的燕麥片和煮過的燕麥片之間的區別。
氟化鋰的作用
該研究的結果之一是更好地了解了氟化鋰在鋰離子電池所用電解質中的作用。 包括徐康在內的數名研究人員表明，含SEI富含氟化鋰的電池性能更好。 研究小組展示了氟化鋰如何成為SEI內層的一部分，這些發現為如何將更多的氟摻入結構提供了線索。
Wang說：“通過這種技術，您不僅可以了解存在什麼分子，還可以了解它們的結構。” “這就是這項技術的美。”
