幾十年來，科學(xué)家們一直認(rèn)為充電電池內(nèi)部電極上不可避免的薄膜狀堆積是性能下降的驅(qū)動因素。現(xiàn)在，我們知道這種觀點是錯誤的。電池電極上堆積的苔蘚狀或樹狀結(jié)構(gòu)的鋰金屬沉積物并不是性能下降的根本原因，而是一種副作用。

9 月 28 日，《自然-能源》（Nature Energy）雜志報道了首次直接測量充電電池內(nèi)部固體電極和液體電解質(zhì)邊界電特性的研究。

這項由美國能源部西北太平洋國家實驗室（PNNL）研究小組領(lǐng)導(dǎo)的研究表明，所謂的固體電解質(zhì)相間層（SEI）并不像以前認(rèn)為的那樣是一種電子絕緣體，而是表現(xiàn)得像一種半導(dǎo)體。這項研究解開了電池運行過程中 SEI 如何發(fā)揮電氣功能這一長期未解之謎。

電池研究科學(xué)家徐耀斌將樣品放入透射電子顯微鏡中，檢查充電電池的功能。

液態(tài)電解質(zhì)通常被稱為工作電池的"血液供應(yīng)"，通過調(diào)整液態(tài)電解質(zhì)的物理和電化學(xué)特性，這些發(fā)現(xiàn)對設(shè)計更長壽命的電池具有直接影響。PNNL 實驗室研究員、電池技術(shù)專家王崇民（Chongmin Wang）是這項研究的共同負(fù)責(zé)人。

研究人員的研究重點是這層比紙巾還薄的 SEI 層，因為它在電池性能中發(fā)揮著巨大的作用。在放電過程中，這層膜狀鑲嵌層有選擇性地允許帶電的鋰離子穿過，并控制電子的移動，從而為電池供電。

當(dāng)電池是新電池時，SEI 會在第一個充電周期形成，并在電池的預(yù)期使用壽命內(nèi)保持穩(wěn)定。但觀察老化的充電電池內(nèi)部，往往會發(fā)現(xiàn)負(fù)極上有大量固態(tài)鋰堆積。電池研究人員認(rèn)為，這種積聚造成了性能損失。造成這種猜測的部分原因是無法進行測量來檢驗因果關(guān)系。

原位透射電子顯微鏡使研究人員能夠直接觀察電池材料在原子和納米尺度上的演變過程，從而深入了解可充電電池的功能。

Wang與該研究的共同負(fù)責(zé)人、PNNL電池材料與系統(tǒng)組的材料科學(xué)家Wu Xu，共同第一作者Yaobin Xu和Hao Jia，以及他們在PNNL、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)和勞倫斯伯克利國家實驗室的同事一起，通過開發(fā)一種新技術(shù)來直接測量實驗系統(tǒng)中跨SEI的電傳導(dǎo)，從而解決了這一問題。研究小組將透射電子顯微鏡與顯微鏡內(nèi)微加工金屬針的納米級操作相結(jié)合。然后，研究人員用四種不同類型的電解質(zhì)測量了在銅或鋰金屬上形成的 SEI 層的電氣特性。

研究小組的測量結(jié)果表明，隨著電池電壓的升高，SEI層在所有情況下都會泄漏電子，使其成為半導(dǎo)電層。

研究結(jié)果表明含碳分子會泄漏電子，縮短電池壽命，他們記錄到這種以前從未直接觀察到的類似半導(dǎo)體的行為后希望了解化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的 SEI 的哪些成分造成了電子泄漏。

Xu說："我們發(fā)現(xiàn)，SEI層中的含碳有機成分容易導(dǎo)致電子泄漏。盡量減少 SEI 中的有機成分將延長電池的使用壽命。即使通過SEI的傳導(dǎo)率發(fā)生微小變化，也會導(dǎo)致效率和電池循環(huán)穩(wěn)定性的巨大差異。"

作者： 來源：CnBeta.COM 責(zé)任編輯：jianping