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

（圖片來源：布魯克海文實(shí)驗(yàn)室）

 

       據(jù)外媒報(bào)道，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven Lab）和太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL） 的研究人員對鋰金屬電池中的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）進(jìn)行了深入研究。這是電池放電時(shí)在負(fù)極和電解質(zhì)之間形成的化學(xué)層，對于提高鋰金屬電池的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

 

       該團(tuán)隊(duì)使用國家同步加速器光源 II（NSLS-II），更深入地研究SEI中復(fù)雜而難以捉摸的化學(xué)組成。該設(shè)施可以產(chǎn)生超明亮的X射線，用于研究材料的原子級構(gòu)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(jìn)能力，在電池化學(xué)領(lǐng)域取得了新的發(fā)現(xiàn)。基于以前的研究成果，該團(tuán)隊(duì)重新使用XPD來獲得關(guān)于界面膜的精確發(fā)現(xiàn)。研究負(fù)責(zé)人Enyuan Hu表示：“之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，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?yàn)楸碚鹘缑婺さ淖畲筇魬?zhàn)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(xiàng)工作中，研究人員利用兩種技術(shù)，通過X射線、X射線衍射和對分布函數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)鋰金屬負(fù)極界面膜中結(jié)晶相和非晶相的化學(xué)成分。該團(tuán)隊(duì)在鋰金屬電池循環(huán)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(zhǔn)樣品，以揭示復(fù)雜的化學(xué)組成。”

 

       研究人員表示，XPD是全球?yàn)閿?shù)不多的能夠進(jìn)行這項(xiàng)研究的光束線之一。該技術(shù)具有三種優(yōu)勢，包括吸收截面小，因此對樣品的損害較小；結(jié)合技術(shù)、X 射線衍射，從而獲得實(shí)空間信息的相位信息和對分布函數(shù)；通過高強(qiáng)度光束從微量樣本中獲得質(zhì)量數(shù)據(jù)。

 

       這種獨(dú)特的先進(jìn)X射線技術(shù)組合，為團(tuán)隊(duì)提供了詳盡的界面膜成分化學(xué)圖譜，包括其起源、功能、相互作用和演化。

 

       布魯克海文實(shí)驗(yàn)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(jī)制。之前的研究發(fā)現(xiàn)界面膜中存在氫化鋰，這次確定了氫源。”具體來說，該團(tuán)隊(duì)確定了在鋰金屬負(fù)極中找到的氫氧化鋰，可能是氫化鋰的貢獻(xiàn)者。在設(shè)計(jì)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(fā)現(xiàn)其可以在低濃度電解質(zhì)中大規(guī)模形成。對于電化學(xué)性能來說，這種物質(zhì)非常重要。”此前，研究人員認(rèn)為，只有在使用高濃度電解質(zhì)時(shí)才能形成氟化鋰，而這依賴于昂貴的鹽。這項(xiàng)工作提供了證據(jù)，低濃度的電解質(zhì)更具有成本效益，有望在電池系統(tǒng)中發(fā)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(huán)過程中的消耗情況。對于了解界面膜來說，這些新發(fā)現(xiàn)具有重要意義。”

 

       總而言之，這些發(fā)現(xiàn)有助于發(fā)現(xiàn)以前被忽視的界面膜成分，更加精準(zhǔn)可控地進(jìn)行鋰金屬電池的界面膜設(shè)計(jì)。