你的“电量焦虑”有救了？西湖大学研究破解电池领域核心难题

【导(dǎo)语(yǔ)】9月(yuè)10日(rì)23时(shí)，西(xi)湖(hú)大(dà)学(xué)工(gōng)学(xué)院(yuàn)向(xiàng)宇(yǔ)轩(xuān)课(kè)题(tí)组(zǔ)与(yǔ)朱(zhū)一(yī)舟(zhōu)课(kè)题(tí)组(zǔ)合(hé)作(zuò)在(zài)Nature杂(zá)志(zhì)发(fā)文，揭(jiē)示(shì)电(diàn)池(chí)负(fù)极(jí)保(bǎo)护(hù)膜(mó)关键物(wù)质(zhì)氟(fú)化(huà)锂(lǐ)并(bìng)非(fēi)“纯(chún)净(jìng)物(wù)”，而是锂、氟、氢构成的固溶体。这一发现刷新传统认知，为高性能电池离子传输机制提供新依据，也将助力新一代电解液和界面材料设计。

手机、电脑、电动汽车、智能手表、无线耳机……我们身边几乎所有的便携电子设备，都离不开锂离子电池。作为目前最成熟、最高效的可充电电池技术，它从20世纪90年代走向商业化，如今已深入日常生活的方方面面。

那么，一块“好用”的电池应该具备哪些特质？充电快、容量大、轻薄便携？要想有针对性地提升电池性能，我们必须了解电池的内部构造，尤其是那层位于电极表面、至今仍充满谜团的“保护膜”。

锂电池

北京时间9月10日23时，西湖大学工学院向宇轩课题组与朱一舟课题组合作，在Nature杂志发表了题为“Probing the Heterogeneous Nature of LiF in Solid-Electrolyte Interphases”的最新研究成果。他们在二次电池电极—电解质界面研究中取得关键突破：发现电池负极保护膜中的关键物质——氟化锂（LiF），不是“纯”的。

论文截图

这一发现刷新了人们对电极界面层组成的传统认知，为高性能二次电池中的离子传输机制提供了全新理论依据，也将为新一代电解液和界面材料的设计指明方向。

电(diàn)池(chí)研(yán)究(jiū)中(zhōng)的(de)“圣(shèng)杯(bēi)级(jí)”难(nán)题

锂离子电池主要由三部分构成：正极、负极，以及允许锂离子移动的电解质（通常为电解液）。其中，正负极与电解质之间的界面区域，是各类电化学反应发生的核心地带。

早在上世纪70至80年代，科学家就发现，电池在充电过程中，电解液会在负极表面发生反应，生成一层极薄的固态电解质界面（SEI）膜。这层起初被视为“副产品”的薄膜，后来被(bèi)证(zhèng)实(shí)能(néng)够(gòu)有(yǒu)效(xiào)传(chuán)导(dǎo)锂(lǐ)离(lí)子(zi)并(bìng)抑(yì)制(zhì)电(diàn)解(jiě)液(yè)分(fēn)解(jiě)，因(yīn)此(cǐ)被(bèi)认(rèn)为(wèi)是(shì)电(diàn)池(chí)稳(wěn)定(dìng)工(gōng)作(zuò)的(de)关键。

尽(jǐn)管(guǎn)大(dà)名鼎(dǐng)鼎(dǐng)，这(zhè)层(céng)膜(mó)却(què)始(shǐ)终(zhōng)蒙(méng)着(zhe)神(shén)秘(mì)面(miàn)纱(shā)。

“人(rén)人(rén)都(dōu)知(zhī)道(dào)它(tā)重(zhòng)要，但它最少被人理解。大家知道它的大致组分（即成分）有什么，但到现在都没有人能说出精确的组成，更不知道微观的结构是什么……”向宇轩解释。

究其原因，在于这层膜极薄，通常仅几十纳米，相当于头发丝直径的千万分之一，结构复杂且极不稳定。它在空气中易与水分和氧气反应，甚至在电子显微镜的电子束照射下就会分解，因此成为电池研究中公认的“圣杯级”难题。

向宇轩团队此次的研究对象，正是这层膜中的关键成分——LiF（氟化锂）。

科学突破从卡顿起步

2022年，刚从厦门大学博士毕业不久的向宇轩，通过了西湖大学的面试，入职西湖大学工学院。他志在搭建一个“能源材料先进表征实验室”，使用包括先进的固体核磁在内的表征技术，理解电池体系里面的复杂问题。

在过去的四十年中，科学家普遍认为LiF对电池性能至关重要，因此含氟化合物被广泛用于商业锂电池，以在电极表面构筑富含LiF的保护层，从而提高电池循环寿命与安全性。然而一个未解的“悖论”始终存(cún)在：块状纯净的LiF离子电导率极低，几乎不导电，这与它在电池中所起的积极作用明显矛盾。

许多科学突破，经常从某一刻的卡顿起步。

在一次实验中，向宇轩注意到电池中LiF的核磁共振谱图与标准样品存在细微差异——谱线中多出了一处微小“鼓包”。这个在旁人眼中容易被忽略的细节，却引起了他的高度警觉。

肉眼看，这个奇怪之处近乎微小不可辨，但向宇轩像被闪电击中了，他立刻决定：追！于是，团队立即调整研究方向，从原本关注“LiF有多少”，转向追问“LiF到底是什么”。

最终，团队与复旦大学宋云教授合作证实，该未知信号正来源于含氢量较高的Li-H-F相。也就是说，电池负极保护膜中的LiF并非纯净物，而是一种由锂、氟、氢共同构成的固溶体。这一结论也得到了同步辐射X射线衍射（XRD）与冷冻电镜（cryo-EM）的进一步支持。

交叉学科带来的创新活力

那么，这种“不纯”的LiF是否正是提升电(diàn)池(chí)性(xìng)能(néng)的(de)关键？

本(běn)次(cì)论(lùn)文合(hé)作(zuò)者(zhě)朱(zhū)一(yī)舟(zhōu)课(kè)题(tí)组(zǔ)通(tōng)过(guò)第(dì)一(yī)性(xìng)原(yuán)理(lǐ)计(jì)算(suàn)发(fā)现(xiàn)，锂(lǐ)离(lí)子(zi)在(zài)含(hán)氢(qīng)环(huán)境中的迁移能垒显著降低，说明氢的掺入的确有助于锂离子传输，从而提升电池性能。

团队进一步在不同电解液体系的电池中展开测试，结果一致表明：在高性能电池中，往往伴随更高比例的Li-H-F相存在。尤其是在被视为下一代高能量电池的锂金属体系中，含氢LiF也表现出更优异的电化学性能。

这项(xiàng)研(yán)究(jiū)，为(wèi)LiF的(de)“导(dǎo)电(diàn)悖(bèi)论(lùn)”提(tí)供(gōng)了(le)一(yī)个(gè)全新(xīn)的(de)科(kē)学解释。

一项颠覆性发现，不仅源于科研人员的敏锐与坚持，也离不开学科交叉带来的创新活力。

向宇轩表示，课题曾一度陷入停滞，直到在学术会议上结识了做储氢研究的宋云教授，才得以合成关键样品。“隔行如隔(gé)山(shān)，她(tā)们(men)也(yě)不(bù)知(zhī)道(dào)电(diàn)池(chí)中(zhōng)的(de)LiF会(huì)有(yǒu)这(zhè)样(yàng)的(de)信(xìn)号(hào)。”计算(suàn)专(zhuān)家(jiā)朱(zhū)一(yī)舟(zhōu)教(jiào)授(shòu)的(de)早(zǎo)期(qī)加(jiā)入(rù)，也(yě)为(wèi)假(jiǎ)说(shuō)建(jiàn)立(lì)与(yǔ)验(yàn)证(zhèng)提(tí)供(gōng)了(le)关键支(zhī)持(chí)。

如(rú)今(jīn)，向(xiàng)宇(yǔ)轩(xuān)正(zhèng)带(dài)领(lǐng)团(tuán)队(duì)继(jì)续(xù)进军电池更深层的奥秘，有望推动更高性能、更安全电池的研发与设计。

（本文图片由西湖大学供图）