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記者11日從西湖大學(xué)獲悉，該校工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)首次揭示鋰電池電極界面層中的關(guān)鍵物質(zhì)——氟化鋰（LiF）并非純相，而是包含鋰、氟、氫元素的固溶體結(jié)構(gòu)。這一成果打破了業(yè)界長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)電極界面層中各組分為純相的認(rèn)知，為高性能電池設(shè)計(jì)提供了全新理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果日前刊發(fā)在《自然》雜志。

在鋰電池中，正/負(fù)電極與電解質(zhì)間的界面，是各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)與物理過(guò)程發(fā)生的核心區(qū)域。它被稱(chēng)為固態(tài)電解質(zhì)界面層，僅幾十納米厚，是影響電池穩(wěn)定性能的關(guān)鍵因素之一。“很多人都知道固態(tài)電解質(zhì)界面層非常重要，但其精確組成與微觀結(jié)構(gòu)仍有待探索。”西湖大學(xué)工學(xué)院助理教授向宇軒說(shuō)，固態(tài)電解質(zhì)界面層因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性質(zhì)敏感成為研究難點(diǎn)。

科學(xué)研究認(rèn)為，固態(tài)電解質(zhì)界面層中的氟化鋰在保障電池性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。2022年，向宇軒團(tuán)隊(duì)在給鋰電池做核磁共振檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)異常：電池內(nèi)氟化鋰的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)純相樣品存在細(xì)微差異。其中一個(gè)此前未被報(bào)道的信號(hào)引起了他們的注意。

研究團(tuán)隊(duì)采用多核、多維固態(tài)核磁共振技術(shù)，對(duì)固態(tài)電解質(zhì)界面層中氟原子與鋰原子進(jìn)行深度分析。放大氟原子譜圖后發(fā)現(xiàn)，原本單一的“波峰”實(shí)為兩個(gè)“波峰”的疊加，其中一個(gè)可能源自未知界面成分。進(jìn)一步檢測(cè)后，團(tuán)隊(duì)推測(cè)該未知成分含氫元素。

為驗(yàn)證這一猜想，他們合成不同氫含量的氫摻雜氟化鋰樣品進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。結(jié)果顯示，氫含量高的樣品正是異常“波峰”的來(lái)源。進(jìn)一步檢測(cè)證實(shí)，電池中的氟化鋰是由鋰、氟、氫構(gòu)成的固溶體結(jié)構(gòu)。西湖大學(xué)工學(xué)院朱一舟團(tuán)隊(duì)通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，氫的摻入使鋰離子遷移勢(shì)壘降低，即鋰離子在氫含量高的環(huán)境中，更容易“動(dòng)起來(lái)”，因此有利于電池性能的提升。

測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，許多性能優(yōu)異的鋰電池中，普遍存在高含量的氫摻雜氟化鋰；在下一代鋰金屬電池中，氫摻雜氟化鋰能顯著優(yōu)化負(fù)極性能。

“這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)高離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)界面層材料開(kāi)辟了新路徑。”向宇軒表示，未來(lái)或可通過(guò)調(diào)控氫含量來(lái)優(yōu)化鋰電池性能。

（西湖大學(xué)供圖）