高性能鋰電池設計有了新思路

本報杭州10月9日電（記者劉習、陸健） 手機、電腦、電動汽車、智能手錶、無線耳機……幾乎所有需要充電的便攜式移動電子設備都使用鋰離子電池。鋰電池中電極表面的“保護膜”對提升電池性能至關重要。近日，西湖大學工學院向宇軒團隊研究發現，電池負極“保護膜”中的關鍵物質氟化鋰並非純淨物，為高性能二次電池中快速離子傳輸機制提供了新的解釋。相關研究成果日前於國際學術期刊《自然》在線發表。

鋰離子中，正/負電極與電解質間的界面是各類化學反應與物理過程發生的核心區域。電池充電時，電解液會在負極表面產生電化學反應，形成一層薄膜，即固態電解質界面層。然而，這層“保護膜”組分與結構複雜，通常只有幾十納米厚，且結構非常不穩定。因此，科學界鮮有深入研究。

為了清晰檢測原子之間的空間結構，向宇軒團隊採用多核、多維固態核磁共振技術對電池負極“保護膜”中的氟原子和鋰原子進行觀測。在觀測氟原子時，團隊發現了兩個波峯。“其中一個屬於氟化鋰，我們推測另一個屬於鋰、氟原子之外混入的其他原子。”向宇軒解釋，“我們之後檢測了鋰原子以及鋰原子與氟原子的相關性。根據結果推測，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構。”

之後，團隊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，並再次用核磁共振技術檢測，驗證了實驗中的第二個波峯來自氫含量較高的Li-H-F。這一結論也得到了同步輻射X射線衍射實驗與冷凍電子顯微鏡的支持。

同樣來自西湖大學工學院的朱一舟團隊專注計算材料學。他們對比鋰離子在氟化鋰和氫化鋰中移動的難易情況。計算結果顯示，在氫含量高的環境中，鋰離子更容易“動起來”，也更有利於電池性能提升。

回到電池本身，向宇軒團隊對不同電解液體系的主流鋰電池類型進行了系統性測試。在許多性能優異的體系中，他們都觀察到了較高的Li-H-F含量，證明了實驗結果在所有種類鋰電池中的適用性，為高性能鋰電池的設計提供了全新的思路與方向。