【導語】9月10日23時，西湖大學工學院向宇軒課題組與朱一舟課題組合作在Nature雜誌發文，揭示電池負極保護膜關鍵物質氟化鋰並非“純淨物”，而是鋰、氟、氫構成的固溶體。這一發現刷新傳統認知，為高性能電池離子傳輸機製提供新依據，也將助力新一代電解液和界麵材料設計。

手機、電腦、電動汽車、智能手表、無線耳機……糖心免费视频身邊幾乎所有的便攜電子設備，都離不開鋰離子電池。作為目前最成熟、最高效的可充電電池技術，它從20世紀90年代走向商業化，如今已深入日常生活的方方麵麵。

那麽，一塊“好用”的電池應該具備哪些特質？充電快、容量大、輕薄便攜？要想有針對性地提升電池性能，糖心免费视频必須了解電池的內部構造，尤其是那層位於電極表麵、至今仍充滿謎團的“保護膜”。

鋰電池

北京時間9月10日23時，西湖大學工學院向宇軒課題組與朱一舟課題組合作，在Nature雜誌發表了題為“Probing the Heterogeneous Nature of LiF in Solid-Electrolyte Interphases”的最新研究成果。他們在二次電池電極—電解質界麵研究中取得關鍵突破：發現電池負極保護膜中的關鍵物質——氟化鋰（LiF），不是“純”的。

論文截圖

這一發現刷新了人們對電極界麵層組成的傳統認知，為高性能二次電池中的離子傳輸機製提供了全新理論依據，也將為新一代電解液和界麵材料的設計指明方向。

電池研究中的“聖杯級”難題

鋰離子電池主要由三部分構成：正極、負極，以及允許鋰離子移動的電解質（通常為電解液）。其中，正負極與電解質之間的界麵區域，是各類電化學反應發生的核心地帶。

早在上世紀70至80年代，科學家就發現，電池在充電過程中，電解液會在負極表麵發生反應，生成一層極薄的固態電解質界麵（SEI）膜。這層起初被視為“副糖心APP官网进入”的薄膜，後來被證實能夠有效傳導鋰離子並抑製電解液分解，因此被認為是電池穩定工作的關鍵。

盡管大名鼎鼎，這層膜卻始終蒙著神秘麵紗。

“人人都知道它重要，但它最少被人理解。大(dà)家(jiā)知(zhī)道(dào)它(tā)的(de)大(dà)致(zhì)組(zǔ)分(fēn)（即(jí)成(chéng)分(fēn)）有(yǒu)什(shén)麽(me)，但(dàn)到(dào)現(xiàn)在(zài)都(dōu)沒(méi)有(yǒu)人(rén)能(néng)說(shuō)出(chū)精(jīng)確(què)的(de)組(zǔ)成(chéng)，更(gèng)不(bù)知(zhī)道(dào)微(wēi)觀(guān)的(de)結(jié)構(gòu)是(shì)什(shén)麽(me)……”向(xiàng)宇(yǔ)軒(xuān)解(jiě)釋(shì)。

究(jiū)其(qí)原(yuán)因(yīn)，在(zài)於(yú)這(zhè)層(céng)膜(mó)極(jí)薄(báo)，通(tōng)常(cháng)僅(jǐn)幾十納米，相當於頭發絲直徑的千萬分之一，結構複雜且極不穩定。它在空氣中易與水分和氧氣反應，甚至在電子顯微鏡的電子束照射下就會分解，因此成為電池研究中公認的“聖杯級”難題。

向宇軒團隊此次的研究對象，正是這層膜中的關鍵成分——LiF（氟化鋰）。

科學突破從卡頓起步

2022年，剛從廈門大學博士畢業不久的向宇軒，通過了西湖大學的麵試，入職西湖大學工學院。他誌在搭建一個“能源材料先進表征實驗室”，使用包括先進的固體核磁在內的表征技術，理解電池體係裏麵的複雜問題。

在過去的四十(shí)年(nián)中(zhōng)，科學家普遍認為LiF對電池性能至關重要，因此含氟化合物被廣泛用於商業鋰電池，以在電極表麵構築富含LiF的保護層，從而(ér)提(tí)高(gāo)電(diàn)池(chí)循環壽命與安全性。然而一個未解的“悖論”始終存在：塊狀純淨的LiF離子電導率極低，幾乎不導電，這與它在電池中所起的積極作用明顯矛盾。

許多科學突破，經常從某一刻的卡頓起步。

在一次實驗中，向宇軒注意到電池中LiF的核磁共振譜圖與標準樣品存在細微差異——譜線中多出了一處微小“鼓包”。這個在旁人眼中容易被忽略的細節，卻引起了他的高度警覺。

肉眼看，這個奇怪之處近乎微小不可辨，但向宇軒像被閃電擊中了，他立刻決定：追！於是，團隊立即調整研究方向，從原本關注“LiF有多少”，轉向追問“LiF到底是什麽”。

最終，團隊與複旦大學宋雲教授合作證實，該未知信號正來源於含氫量較高的Li-H-F相。也就是說，電池負極保護膜中的LiF並非純淨物，而是一種由鋰、氟、氫共同構成的固溶體。這一結論也得到了同步輻射X射線衍射（XRD）與冷凍電鏡（cryo-EM）的進一步支持。

交叉學科帶來的創新活力

那麽，這種“不純”的LiF是否正是提升電池性能的關鍵？

本次論文合作者朱一舟課題組通過第一性原理計算發現，鋰離子在含氫環境中的遷移(yí)能(néng)壘(lěi)顯(xiǎn)著降低，說明氫的摻入的確有助於鋰離子傳輸，從而提升電池性能。

團隊進一步在不同電解液體係的電池中展開測試，結果一致表明：在高性能電池中，往往伴隨更高比例的Li-H-F相存在。尤其是在被視為下一代高能量電池的鋰金屬體係中，含氫LiF也表現出更優異的電化學性能。

這項研究，為LiF的“導電悖論”提供了一個全新的科學解釋。

一項顛覆性發現，不僅源於科研人員的敏銳與堅(jiān)持(chí)，也(yě)離(lí)不(bù)開(kāi)學(xué)科(kē)交(jiāo)叉(chā)帶(dài)來(lái)的(de)創(chuàng)新(xīn)活(huó)力(lì)。

向宇軒表示，課題曾一度陷入停滯，直到在學術會議上結識了做儲氫研究的宋雲教授，才得以合成關鍵樣品。“隔行如隔山，她們也不知道電池中的LiF會有這樣的信號。”計算專家朱一舟教授的早期加入，也為假(jiǎ)說(shuō)建(jiàn)立(lì)與(yǔ)驗(yàn)證(zhèng)提(tí)供(gōng)了(le)關鍵支(zhī)持(chí)。

如(rú)今(jīn)，向(xiàng)宇軒正帶領團隊繼續進軍電池更深層的奧秘，有望推動更高性能、更安全電池的研發與設計。

（本文圖片由西湖大學供圖）