【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】鋰離子電池早已進入人們生活的方方面面，怎樣設(shè)計出更加安全、高性能的鋰電池是大家十分關(guān)心的問題。在鋰離子電池充放電過程中，電極材料與電解質(zhì)溶液在固液界面上會發(fā)生反應(yīng)，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層，稱為固體―電解液界面(SEI，solid electrolyte interface)層。研究人員發(fā)現(xiàn)SEI層決定了大多數(shù)電池的性能，但人們對于SEI層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的了解還非常有限。
中國科學(xué)院理論物理研究所研究員王延颋、博士研究生蘇茂與美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)朱梓華課題組合作，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層的形成與物理化學(xué)性質(zhì)進行了研究。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Nature Nanotechnology 雜志。
電解液是一個意義廣泛的名詞，用于不同行業(yè)其代表的內(nèi)容相差較大。有生物體內(nèi)的電解液(也稱電解質(zhì))，也有應(yīng)用于電池行業(yè)的電解液，以及電解電容器、超級電容器等行業(yè)的電解液。
不同的行業(yè)應(yīng)用的電解液，其成分相差巨大，甚至完全不相同。
例如，人體的電解質(zhì)主要由水分和PH緩沖物質(zhì)等組成，鋁電解液電容器的電解液含GBL等主要溶劑，超級電容器電解液含碳酸丙烯酯或乙腈主要溶劑，鋰錳一次電池電解液含碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚等主要溶劑，鋰離子電池電解液則含碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯以及碳酸二乙酯等主要溶劑. 它們各自的導(dǎo)電鹽也完全不同，如超電容電解液中四氟硼酸四乙基銨，鋰錳一次電池中常用高氯酸鋰或三氟甲磺酸鋰，而鋰離子電池中則是六氟磷酸鋰。
鋰離子電池在充電時，在任何相界面化學(xué)發(fā)生之前，由于鋰離子和電極表面勢的作用，溶劑分子會在電極與電解液界面上迅速自組裝形成電雙層。這一電雙層的結(jié)構(gòu)決定了電池的相界面化學(xué)性質(zhì)。特別地，當電極充上負電荷時，其表面的電雙層結(jié)構(gòu)會排空陰離子(如氟離子等)，從而形成一層很薄的、稠密的、無機的SEI內(nèi)層。這個稠密層的主要功能是傳導(dǎo)鋰離子而絕緣電子。SEI內(nèi)層形成之后，會進一步形成富含有機分子、可以滲透到電解液當中的外層。研究發(fā)現(xiàn)SEI內(nèi)層的主要成分為氧化鋰，否定了相界面上含有氟化鋰的傳統(tǒng)觀點。對某些種類的電池而言，由于氟離子在相界面上起著非常重要的作用，必須引入含氟的溶劑或者添加劑。
該項研究解決了長期困擾人們的SEI層特性的問題。
資料來源：百科、理論物理研究所
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