鋰離子電池具有效率高、壽命長等優勢，在電動汽車中得到了廣泛應用。然而，隨著用戶對續航里程的要求越來越高，研究人員將目光轉向鋰金屬電池。在鋰金屬電池中，鋰金屬負極可以提供比石墨負極高得多的能量密度。目前，研究人員面臨的最大挑戰之一是，找到一種在電池充放電時穩定負極的方法。

（圖片來源：布魯克海文實驗室）

 

       據外媒報道，布魯克海文實驗室（Brookhaven Lab）和太平洋西北國家實驗室（PNNL） 的研究人員對鋰金屬電池中的固體電解質界面膜（SEI）進行了深入研究。這是電池放電時在負極和電解質之間形成的化學層，對于提高鋰金屬電池的穩定性至關重要。

 

       該團隊使用國家同步加速器光源 II（NSLS-II），更深入地研究SEI中復雜而難以捉摸的化學組成。該設施可以產生超明亮的X射線，用于研究材料的原子級構成。

 

       多年來，研究人員一直在利用NSLS-II的X射線粉末衍射（XPD）光束線的先進能力，在電池化學領域取得了新的發現。基于以前的研究成果，該團隊重新使用XPD來獲得關于界面膜的精確發現。研究負責人Enyuan Hu表示：“之前已經發現，高能同步加速器X射線不會破壞界面膜樣品。這具有重要意義，因為表征界面膜的最大挑戰之一是樣品對其他類型的輻射高度敏感，包括低能X射線。因此，在這項工作中，研究人員利用兩種技術，通過X射線、X射線衍射和對分布函數分析，發現鋰金屬負極界面膜中結晶相和非晶相的化學成分。該團隊在鋰金屬電池循環50次后收集到足夠的界面膜樣品，然后將電池拆解，從鋰金屬表面刮下微量的界面膜粉末，將XPD的高能X射線對準樣品，以揭示復雜的化學組成。”

 

       研究人員表示，XPD是全球為數不多的能夠進行這項研究的光束線之一。該技術具有三種優勢，包括吸收截面小，因此對樣品的損害較小；結合技術、X 射線衍射，從而獲得實空間信息的相位信息和對分布函數；通過高強度光束從微量樣本中獲得質量數據。

 

       這種獨特的先進X射線技術組合，為團隊提供了詳盡的界面膜成分化學圖譜，包括其起源、功能、相互作用和演化。

 

       布魯克海文實驗室的博士后Sha Tan表示：“研究人員專注于界面膜的三種不同組成部分，首先是氫化鋰及其形成機制。之前的研究發現界面膜中存在氫化鋰，這次確定了氫源。”具體來說，該團隊確定了在鋰金屬負極中找到的氫氧化鋰，可能是氫化鋰的貢獻者。在設計過程中，控制這種化合物的組成，有望充分提升界面膜的性能。

 

       Tan表示：“其次，研究人員探討了氟化鋰，發現其可以在低濃度電解質中大規模形成。對于電化學性能來說，這種物質非常重要。”此前，研究人員認為，只有在使用高濃度電解質時才能形成氟化鋰，而這依賴于昂貴的鹽。這項工作提供了證據，低濃度的電解質更具有成本效益，有望在電池系統中發揮良好的作用。

 

       Tan表示：“第三，研究人員觀察氫氧化鋰，以了解其在電池循環過程中的消耗情況。對于了解界面膜來說，這些新發現具有重要意義。”

 

       總而言之，這些發現有助于發現以前被忽視的界面膜成分，更加精準可控地進行鋰金屬電池的界面膜設計。