科学家观察到影响电池寿命的关键过程

俄罗斯斯科尔科沃科学和技术学院（Skoltech）能源科学与技术中心的研究人员利用原位原子力显微镜（AFM）在电池碳质电极材料上直观地观察到了固体电解质中间相的形成。这将有助于研究人员设计和制造出具有更高的性能和耐久性的电池。

固体电解质中间相（SEI）是在锂离子电池阳极表面形成的一层薄薄的电解质还原产物，在几个初始循环过程中形成。它可以防止电解质进一步分解，稳定电极/电解质界面，确保电池寿命。SEI膜的形成要时间和能量，其质量在很大程度上决定了电池的性能和耐久性：SEI的形成不良会导致电池性能的快速下降。

尽管如此，人们对SEI的形成过程仍然不甚了解，科学家们利用原位原子力显微镜，可以直接观察到这一过程。迄今为止，这些测量大多是在高取向热解石墨（HOPG）上进行的，HOPG是一种非常纯净和有序的石墨形式，它的基底平面很干净，原子平面很平整。然而，HOPG是实际的电池级电极材料的替代品，因此，HOPG的工艺与商业电池内部的情况有很大的不同。

由SergeyLuchkin和KeithStevenson教授领导的Skoltech团队成功地实现了电池材料上SEI形成的可视化。为此，他们设计出一种电化学电池，允许进行这种直接观察SEI形成所需的测量。

"电池材料是粉末状的，用原子力显微镜可视化其表面的动态过程，特别是在液体环境中，是一个挑战。一个标准的电池电极有关这样的测量来说太粗糙了，而且在扫描过程中，孤立的颗粒往往会从基体上脱落。为了克服这个问题，我们将颗粒嵌入到环氧树脂中，并做了一个横截面，所以颗粒被牢牢地固定在基底上。"Luchkin说。

研究人员发现，电池级材料上的SEI与HOPG上的SEI成核的电位不同。它的厚度也比HOPG厚了2倍以上，机械强度也更强。最后，他们能够证明，与电池级石墨的粗糙表面相比，SEI与HOPG的平坦表面结合得更好。

"这项工作中详述的对电池界面和相间层的空间分辨率调查为正极SEI的结构和演变供应了重要的新见解。因此，它们为合理的电解液设计供应了指导，使高性能电池的安全性得到提高。"Stevenson补充道。

论文标题为《Solid-electrolyteinterphasenucleationandgrowthoncarbonaceousnegativeelectrodesforLi-ionbatteriesvisualizedwithinsituatomicforcemicroscopy》。