手機(jī)、電腦、電動(dòng)汽車、智能手表、無線耳機(jī)……幾乎所有需要充電的便攜式移動(dòng)電子設(shè)備都使用鋰離子電池。鋰電池中電極表面的“保護(hù)膜”對(duì)提升電池性能至關(guān)重要。近日，西湖大學(xué)工學(xué)院向宇軒團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，電池負(fù)極“保護(hù)膜”中的關(guān)鍵物質(zhì)氟化鋰并非純凈物，為高性能二次電池中快速離子傳輸機(jī)制提供了新的解釋。相關(guān)研究成果日前于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。

鋰離子中，正/負(fù)電極與電解質(zhì)間的界面是各類化學(xué)反應(yīng)與物理過程發(fā)生的核心區(qū)域。電池充電時(shí)，電解液會(huì)在負(fù)極表面產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，形成一層薄膜，即固態(tài)電解質(zhì)界面層。然而，這層“保護(hù)膜”組分與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常只有幾十納米厚，且結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定。因此，科學(xué)界鮮有深入研究。

為了清晰檢測原子之間的空間結(jié)構(gòu)，向宇軒團(tuán)隊(duì)采用多核、多維固態(tài)核磁共振技術(shù)對(duì)電池負(fù)極“保護(hù)膜”中的氟原子和鋰原子進(jìn)行觀測。在觀測氟原子時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)波峰?！捌渲幸粋€(gè)屬于氟化鋰，我們推測另一個(gè)屬于鋰、氟原子之外混入的其他原子?！毕蛴钴幗忉?，“我們之后檢測了鋰原子以及鋰原子與氟原子的相關(guān)性。根據(jù)結(jié)果推測，混入的原子是氫，且鋰、氟、氫三種原子在納米尺度上形成了一種新的微觀結(jié)構(gòu)?！?/p>

之后，團(tuán)隊(duì)通過人為將氫加入氟化鋰，合成一系列具有不同比例氫含量的Li-H-F樣品，并再次用核磁共振技術(shù)檢測，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中的第二個(gè)波峰來自氫含量較高的Li-H-F。這一結(jié)論也得到了同步輻射X射線衍射實(shí)驗(yàn)與冷凍電子顯微鏡的支持。

同樣來自西湖大學(xué)工學(xué)院的朱一舟團(tuán)隊(duì)專注計(jì)算材料學(xué)。他們對(duì)比鋰離子在氟化鋰和氫化鋰中移動(dòng)的難易情況。計(jì)算結(jié)果顯示，在氫含量高的環(huán)境中，鋰離子更容易“動(dòng)起來”，也更有利于電池性能提升。

回到電池本身，向宇軒團(tuán)隊(duì)對(duì)不同電解液體系的主流鋰電池類型進(jìn)行了系統(tǒng)性測試。在許多性能優(yōu)異的體系中，他們都觀察到了較高的Li-H-F含量，證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果在所有種類鋰電池中的適用性，為高性能鋰電池的設(shè)計(jì)提供了全新的思路與方向。（記者劉習(xí)、陸?。?/p>

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