更好的锂离子电池可能具有自组装结构的纳米级分子观

科学家将特殊设计的锂离子电池装入二次离子质谱仪中，使他们能够在电池运行时在分子水平上观察到固体电解质中间相的形成。

锂离子电池寿命的头几个小时很大程度上决定了其性能。在那些时刻，一组分子自组装成电池内部的结构，这将在未来几年内影响电池。

“这些发现可能会帮助其他人定制电解质和电极的化学成分，从而制造出更好的电池。”—朱子华

该成分被称为固体电解质中间相或SEI，它的关键工作是阻止某些粒子，同时允许其他粒子通过，例如酒馆的保镖可以抑制不希望的杂质，而又可以使它们闪闪发光。对于已经研究了数十年的科学家而言，该结构一直是一个谜。研究人员利用多种技术来学习更多，但是直到现在为止，如果他们在分子水平上目睹了它的创造，就永远不会。

了解更多有关SEI的信息，这是朝着打造更有活力，更持久，更安全的锂离子电池迈出的关键一步。

该研究成果于2020年1月27日在《自然纳米技术》上发表，由国际能源团队组成，该团队由美国能源部太平洋西北国家实验室和美国陆军研究实验室的研究人员领导。通讯作者包括PNNL的朱子华，王崇敏和许志杰，以及美国陆军研究实验室的许康。

为什么锂离子电池可以正常工作：SEI

固体电解质中间相是一种非常薄的材料膜，在首次制造电池时不存在。仅当电池第一次充电时，分子才会聚集并发生电化学反应以形成结构，该结构充当允许锂离子在阳极和阴极之间来回传递的通道。至关重要的是，SEI迫使电子绕行，这使电池保持运行并使得能量存储成为可能。

由于SEI的原因，我们完全没有锂离子电池可以为手机，笔记本电脑和电动汽车供电。

对于PNNL科学家而言，创造持久，更安全，更有活力的锂离子电池是头等大事。如今，电池无处不在–在电动汽车，笔记本电脑，工具和手机中。

但是科学家需要更多地了解这种网关结构。哪些因素将锂离子电池中的闪光与from子分开？电解质中需要包含什么化学物质，以及什么浓度，分子才能形成最有用的SEI结构，从而不会继续从电解质中吸收分子，从而损害电池性能？

科学家研究各种成分，预测它们将如何结合以形成最佳结构。但是，如果没有更多关于如何生成固态电解质界面的知识，科学家们就像厨师在弄杂各种配料一样，只处理部分编写的食谱。

用新技术探索锂离子电池

为了帮助科学家更好地了解SEI，研究小组使用了PNNL的专利技术对结构进行分析。科学家使用高能离子束将其隧穿到工作电池中刚形成的SEI中，将其中的一些物质空运并捕获以进行分析，同时依靠表面张力来帮助容纳液体电解质。然后，团队使用质谱仪分析了SEI组件。

获得专利的方法称为原位液体二次离子质谱法或液体SIMS，使团队能够对SEI形成前所未有的外观，并避免工作的锂离子电池所出现的问题。该技术是由朱Zhu基带领的团队在PNNL同事余晓英以前的SIMS工作基础上开发的。

朱说：“我们的技术使我们对这种复杂结构中的分子活性有扎实的科学认识。”“这些发现可能会帮助其他人定制电解质和电极的化学成分，从而制造出更好的电池。”

美国陆军和PNNL研究人员合作

PNNL小组与美国陆军研究实验室研究员，电解质和SEI专家Kang Xu联系在一起，他们共同解决了这个问题。

科学家证实了研究人员所怀疑的-SEI由两层组成。但是该团队走得更远，指定了每一层的精确化学组成，并确定了电池中发生的化学步骤以实现结构。

朱子华和王崇民是该团队的成员，他们学习了有关创建锂离子电池关键组件的重要新信息。

研究小组发现，阳极旁边的结构层很薄但很致密。这是排斥电子但允许锂离子通过的层。紧邻电解质的外层较厚，可介导液体与SEI其余部分之间的相互作用。内层较硬，而外层则较易流动，有点像煮熟的燕麦片和煮过的燕麦片之间的区别。

氟化锂的作用

该研究的结果之一是更好地了解了氟化锂在锂离子电池所用电解质中的作用。包括徐康在内的数名研究人员表明，含SEI的氟化锂含量较高的电池性能更好。该团队展示了氟化锂如何成为SEI内层的一部分，研究结果为如何将更多的氟掺入结构提供了线索。

Wang说：“通过这项技术，您不仅可以了解存在什么分子，还可以了解它们的结构。”“这就是这项技术的美。”

科学家用来学习更多有关锂离子电池的液态SIMS技术的说明。科学家使用高能离子束（黄色）穿过阳极（橙色），该阳极附着在氮化硅薄膜下方。当电子束撞击到形成固体电解质中间相（SEI）的电极与电解质的界面时，其分子就会悬浮在空气中，并可以通过质谱仪进行分析。孔口太窄，以至于表面张力阻止电解质扩散。

参考：周宇凡，苏–，余晓飞，张彦艳，王俊刚，任小迪，曹瑞国，吴旭，唐纳德·R：“锂离子电池固-电解质中间相的实时质谱表征”。贝尔（Baer），杜英格（Dingge Du），奥列格·波罗丁（Oleg Borodin），王艳婷，王学林，徐康，徐志杰，王崇敏和朱子华，2020年1月27日，自然纳米技术.DOI：
10.1038 / s41565-019-0618-4

《自然纳米技术》上发表的这项研究的PNNL部分由PNNL，美国能源部能源效率和可再生能源办公室的车辆技术办公室以及美德储能合作组织资助。康旭的工作是由美国能源部科学储能研究联合中心办公室资助的。液态SIMS分析是在EMSL（环境分子科学实验室）完成的，EMSL是位于PNNL的DOE科学办公室的用户设施。

除徐，王和朱外，PNNL的作者还包括周宇凡，毛苏，于霞飞，张彦艳，王俊刚，任小迪，曹瑞国，吴旭，唐纳德·R·巴尔和杜英格。