日常生活中我們經(jīng)常用到鋰電池，比如手機、筆記本電腦等大多數(shù)使用鋰電池，電動汽車產(chǎn)業(yè)有關(guān)鋰電池的需求也越來越多。可是在鋰電池造福人類的同時，它同樣存在著潛在的危險，時常發(fā)生的鋰電池的燃燒和爆炸事故給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來了很大的威脅。設(shè)計出更加安全、高性能的鋰電池是亟待解決問題。

在液態(tài)鋰電池首次充放電過程中,電極材料和電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng),形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層,具有固體電解質(zhì)的特點,是電子絕緣體卻是Li+的優(yōu)良導(dǎo)體,Li+可以經(jīng)過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為"固體電解質(zhì)界面膜"(solidelectrolyteinterface),簡稱SEI膜。

SEI膜的形成對電極材料的性能出現(xiàn)至關(guān)重要的影響。一方面，SEI膜的形成消耗了部分鋰離子，使得首次充放電不可逆容量新增，降低了電極材料的充放電效率；另一方面，SEI膜能大大提高了電極的循環(huán)性能和使用壽命。深入研究SEI膜的性質(zhì)及其影響因素，尋找改善SEI膜性能的有效途徑，一直都是研究熱點。雖然SEI層決定了大多數(shù)電池的性能，但人們有關(guān)SEI層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的了解還非常有限。

日前，科學(xué)家使用二次離子質(zhì)譜（SIMS）實驗手段結(jié)合分子動力學(xué)模擬方法對SEI層的形成和物理化學(xué)性質(zhì)進行了研究。相關(guān)結(jié)果以題為"Real-timemassspectrometriccharacterizationofthesolid–electrolyteinterphaseofalithium-ionbattery"發(fā)表于NatureNanotechnology雜志（IF=33）。

在這項工作中，研究人員供應(yīng)了鋰電池SEI形成的動態(tài)圖，該鋰電池在操作中使用了液體-二次離子質(zhì)譜，并結(jié)合了分子動力學(xué)模擬。研究發(fā)現(xiàn)，在任何相間化學(xué)發(fā)生之前（在初始充電期間），由于溶劑分子的自組裝，在電極/電解質(zhì)界面形成了雙電層。雙層的形成由Li+和電極表面電勢控制。這個雙層的結(jié)構(gòu)決定了最終的相界面化學(xué)性質(zhì)。

固液界面原位分析示意圖

本文提出的SEI模型

特別地，帶負電的電極表面從內(nèi)層排斥陰離子，并出現(xiàn)薄而致密的、無機的SEI內(nèi)層。正是這個致密層負責(zé)傳導(dǎo)Li+而絕緣電子。在SEI內(nèi)層形成后，會出現(xiàn)電解質(zhì)可滲透、富含有機物的外層。研究發(fā)現(xiàn)SEI內(nèi)層的重要成分為氧化鋰，否定了相界面上含有氟化鋰的傳統(tǒng)觀點。這些實時的納米級觀測將有助于為將來的電池設(shè)計更好的界面相。