锂离子电池具有效率高、寿命长等优势，在电动汽车中得到了广泛应用。然而，随着用户对续航里程的要求越来越高，研究人员将目光转向锂金属电池。在锂金属电池中，锂金属负极可以提供比石墨负极高得多的能量密度。目前，研究人员面临的最大挑战之一是，找到一种在电池充放电时稳定负极的方法。

（图片来源：布鲁克海文实验室）

 

       据外媒报道，布鲁克海文实验室（Brookhaven Lab）和太平洋西北国家实验室（PNNL） 的研究人员对锂金属电池中的固体电解质界面膜（SEI）进行了深入研究。这是电池放电时在负极和电解质之间形成的化学层，对于提高锂金属电池的稳定性至关重要。

 

       该团队使用国家同步加速器光源 II（NSLS-II），更深入地研究SEI中复杂而难以捉摸的化学组成。该设施可以产生超明亮的X射线，用于研究材料的原子级构成。

 

       多年来，研究人员一直在利用NSLS-II的X射线粉末衍射（XPD）光束线的先进能力，在电池化学领域取得了新的发现。基于以前的研究成果，该团队重新使用XPD来获得关于界面膜的精确发现。研究负责人Enyuan Hu表示：“之前已经发现，高能同步加速器X射线不会破坏界面膜样品。这具有重要意义，因为表征界面膜的最大挑战之一是样品对其他类型的辐射高度敏感，包括低能X射线。因此，在这项工作中，研究人员利用两种技术，通过X射线、X射线衍射和对分布函数分析，发现锂金属负极界面膜中结晶相和非晶相的化学成分。该团队在锂金属电池循环50次后收集到足够的界面膜样品，然后将电池拆解，从锂金属表面刮下微量的界面膜粉末，将XPD的高能X射线对准样品，以揭示复杂的化学组成。”

 

       研究人员表示，XPD是全球为数不多的能够进行这项研究的光束线之一。该技术具有三种优势，包括吸收截面小，因此对样品的损害较小；结合技术、X 射线衍射，从而获得实空间信息的相位信息和对分布函数；通过高强度光束从微量样本中获得质量数据。

 

       这种独特的先进X射线技术组合，为团队提供了详尽的界面膜成分化学图谱，包括其起源、功能、相互作用和演化。

 

       布鲁克海文实验室的博士后Sha Tan表示：“研究人员专注于界面膜的三种不同组成部分，首先是氢化锂及其形成机制。之前的研究发现界面膜中存在氢化锂，这次确定了氢源。”具体来说，该团队确定了在锂金属负极中找到的氢氧化锂，可能是氢化锂的贡献者。在设计过程中，控制这种化合物的组成，有望充分提升界面膜的性能。

 

       Tan表示：“其次，研究人员探讨了氟化锂，发现其可以在低浓度电解质中大规模形成。对于电化学性能来说，这种物质非常重要。”此前，研究人员认为，只有在使用高浓度电解质时才能形成氟化锂，而这依赖于昂贵的盐。这项工作提供了证据，低浓度的电解质更具有成本效益，有望在电池系统中发挥良好的作用。

 

       Tan表示：“第三，研究人员观察氢氧化锂，以了解其在电池循环过程中的消耗情况。对于了解界面膜来说，这些新发现具有重要意义。”

 

       总而言之，这些发现有助于发现以前被忽视的界面膜成分，更加精准可控地进行锂金属电池的界面膜设计。