鋰離子電池的商業化使便攜式電子設備、電動汽車等快速地應用到日常生活。在過去30年，人們對鋰離子電池進行了大量的基礎研究和工業化探索。然而，在這個復雜的電化學體系中仍有很多未解之謎。尤其是負極表面重構形成穩定的固態電解質界面（SEI）膜的組分和機理一直是最重要和最困難研究課題之一。

鋰電池電極的SEI膜是電極材料和電解液在首次充放電過程中在固液界面發生反應生成的界面鈍化層。這種鈍化層是良好的鋰離子導體，同時是電子絕緣體。在電池循環的過程中，良好的SEI膜可以保證了鋰離子在電極界面順暢通行和有效地抑制電極副反應的持續發生以保證電池的長時間使用。

可以說，SEI膜的特性決定了整個電池的性能。研究SEI膜（特別是碳負極的SEI膜）的形成機理，并進一步改善它的電化學特性一直是世界電化學界的研究熱點。在過去的大量的研究中，科研人員利用了電子或X射線等光譜儀器對SEI膜進行細致的研究，這些技術的問題是在研究過程中對脆弱的SEI膜產生了一定的結構破壞。此外，這些光譜技術絕大多數只能進行非原位測試，這增加了深入了解SEI膜生成機理的難度。

圖1 在原子尺度原位和聯動探測鋰電池負極界面構建SEI膜機理

北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授課題組與國際知名實驗室緊密合作，將電化學方法與稱量原子/分子重量石英微天平（EQCM）、觀察原子尺度形貌的原子力顯微鏡（AFM）和監測產生極微量氣體組成的微分質譜（DEMS）進行巧妙協同策略，實現了定量監測在不同電位下電極界面組分，從不同角度對SEI膜的形成過程進行原位和聯動的追蹤測量。

科研團隊經過近5年的共同努力，在原子尺度上原位探測鋰電池負極界面構建SEI膜機理研究取得突破性的進展，該成果近日在國際知名雜志《自然.納米技術》（Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-018-0284-y, 影響因子為37.5）上發表。

圖2 負極碳材料界面形成SEI膜形成機理圖。

結合電化學EQCM的定量、原位和現場特點以及AFM的原子精度形貌表征，團隊在常規電解質（1.0 M LiPF6溶于EC和DMC）中研究了石墨電極的在首次脫嵌鋰離子過程SEI膜的形成。

作為一種高靈敏度的質量監測技術，EQCM可以精確地測量石墨電極上累積或損失的物質作為施加電位的函數，AFM圖像可顯示高度取向的熱解石墨（HOPG）在初始鋰化和脫鋰過程中如何與溶劑化的鋰離子相互作用。這些定量觀察可用于建立迄今為止尚無法獲得的SEI形成機制。

科研團隊發現SEI形成有五個不同的化學或電化學過程：

第一階段(圖I)，LiF在1.5V處在痕量水的電化學催化下形成；

第二階段(圖II)，在0.88V溶劑化的鋰離子共嵌在石墨層間發生；

第三階段(圖III)，共嵌入的EC分子在0.74 V開始被還原生成初始的SEI膜；

第四階段(圖VI-V)，隨著電位降低，EC分子持續還原形成SEI膜的有機組分；

第五階段(圖VI)，在鋰離子脫出時SEI膜有機組分部分被氧化同時又無機Li2O組分留在層間。這些發現進一步加深了對SEI膜的理解，為設計更高性能的SEI膜提供了理論基礎。

該工作是在北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授、美國陸軍實驗室許康教授、美國阿貢國家實驗室Khalil Amine教授和陸俊研究員的共同指導下，由北京大學深圳研究生院新材料學院2014級博士生劉同超和碩士生林凌漂（文章的共同一作）及團隊相關人員一起完成。

?文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41565-018-0284-y