研究人員表示，了解電池SEI的化學(xué)性質(zhì)和形成機(jī)制，對以后更好地開發(fā)優(yōu)質(zhì)電池起到關(guān)鍵作用。新研究利用分子眼技術(shù)，繪制出SEI化學(xué)和結(jié)構(gòu)動態(tài)圖。
（圖源：美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)）
通過分子眼技術(shù)，科學(xué)家們可以更確切地了解電池內(nèi)部的運(yùn)行原理，找出它們?nèi)菀字鸬脑?。?jù)外媒報(bào)道，美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展指揮部陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory）與美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（the U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory）的研究人員，探討電池兩個(gè)關(guān)鍵部分接觸時(shí)如何發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并形成電池中的關(guān)鍵部分，俗稱固體電解質(zhì)界面膜（SEI）。
研究人員表示，了解電池SEI的化學(xué)性質(zhì)和形成機(jī)制，對以后更好地開發(fā)優(yōu)質(zhì)電池起到關(guān)鍵作用。新研究利用分子眼技術(shù)，繪制出SEI化學(xué)和結(jié)構(gòu)動態(tài)圖。陸軍科學(xué)家Oleg Borodin博士表示，這些屬性會影響電池的充放電速率，尤其是在低溫、安全和循環(huán)壽命方面。
該研究項(xiàng)目的首席研究員Dr. Kang Xu說：“SEI對電池性能至關(guān)重要，但很難對其進(jìn)行具體表征。它們決定電池的充電速度，以提高運(yùn)行性能，并防止電池運(yùn)行時(shí)，突然速度放緩或產(chǎn)生故障。然而，如同暗物質(zhì)一樣，每個(gè)人都知道它們的存在，卻不清楚它們的工作原理?！?
環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（the Environmental Molecular Sciences Laboratory）和太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，開發(fā)了原位液體二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)。他們與陸軍科學(xué)家合作，利用這一技術(shù)，在電池首小時(shí)充電時(shí)，從分子水平上研究電極-電解質(zhì)界面化學(xué)工作原理。通過監(jiān)測SEI的形成及其化學(xué)變化，繪制所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)圖，并結(jié)合分子動力學(xué)模擬方法，他們的工作揭示了一些以前只能推測的東西。
在電池充電初期，電極/電解質(zhì)界面會形成電雙層。這種雙層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致SEI的微結(jié)構(gòu)和化學(xué)差異，并最終決定電池性能。從分子水平上了解這種界面，可以為更好地設(shè)計(jì)電池提供有力指導(dǎo)。研究人員發(fā)現(xiàn)，初始充電期間，在任何相間化學(xué)反應(yīng)發(fā)生之前，由于溶劑分子自組合，電極/電解質(zhì)界面上會形成雙電層。這是受鋰離子和電極表面電位的影響。這一雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測最終的相間化學(xué)，特別是帶負(fù)電荷的電極表面，排斥來自內(nèi)層的鹽陰離子，從而在內(nèi)部產(chǎn)生薄且致密的無機(jī)SEI。正是這一致密層負(fù)責(zé)傳導(dǎo)Li +和絕緣電子，這是SEI的主要功能。內(nèi)層形成后，出現(xiàn)電解質(zhì)可滲透且富含有機(jī)物的外層。在高濃度富氟電解質(zhì)存在的情況下，由于雙層中存在陰離子，SEI內(nèi)層的LiF濃度較高。此類實(shí)時(shí)納米級觀測，將有助于為未來的電池設(shè)計(jì)更好的界面。
2017年，陸軍研究人員與馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）合作，首次研發(fā)出一種鋰離子電池，該電池以水鹽溶液為電解質(zhì)，達(dá)到了家用電子產(chǎn)品所需的4.0V電壓，如筆記本電腦等，而且不會像某些商用非水鋰離子電池一樣，存在火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。該團(tuán)隊(duì)發(fā)明的水性電池與大多數(shù)商用電池都不同。了解SEI可以逐步改進(jìn)當(dāng)前技術(shù)，作為許多陸軍應(yīng)用的直接解決方案。
