最新研究為高性能鋰電池設計提供新思路

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記者11日從西湖大學獲悉，該校工學院研究團隊首次揭示鋰電池電極界面層中的關鍵物質——氟化鋰（LiF）并非純相，而是包含鋰、氟、氫元素的固溶體結構。這一成果打破了業界長期以來對電極界面層中各組分為純相的認知，為高性能電池設計提供了全新理論基礎。相關研究成果日前刊發在《自然》雜志。

在鋰電池中，正/負電極與電解質間的界面，是各類化學反應與物理過程發生的核心區域。它被稱為固態電解質界面層，僅幾十納米厚，是影響電池穩定性能的關鍵因素之一。“很多人都知道固態電解質界面層非常重要，但其精確組成與微觀結構仍有待探索。”西湖大學工學院助理教授向宇軒說，固態電解質界面層因結構復雜、性質敏感成為研究難點。

科學研究認為，固態電解質界面層中的氟化鋰在保障電池性能方面發揮著關鍵作用。2022年，向宇軒團隊在給鋰電池做核磁共振檢測時發現異常：電池內氟化鋰的譜圖與標準純相樣品存在細微差異。其中一個此前未被報道的信號引起了他們的注意。

研究團隊采用多核、多維固態核磁共振技術，對固態電解質界面層中氟原子與鋰原子進行深度分析。放大氟原子譜圖后發現，原本單一的“波峰”實為兩個“波峰”的疊加，其中一個可能源自未知界面成分。進一步檢測后，團隊推測該未知成分含氫元素。

為驗證這一猜想，他們合成不同氫含量的氫摻雜氟化鋰樣品進行對比測試。結果顯示，氫含量高的樣品正是異常“波峰”的來源。進一步檢測證實，電池中的氟化鋰是由鋰、氟、氫構成的固溶體結構。西湖大學工學院朱一舟團隊通過第一性原理計算發現，氫的摻入使鋰離子遷移勢壘降低，即鋰離子在氫含量高的環境中，更容易“動起來”，因此有利于電池性能的提升。

測試還發現，許多性能優異的鋰電池中，普遍存在高含量的氫摻雜氟化鋰；在下一代鋰金屬電池中，氫摻雜氟化鋰能顯著優化負極性能。

“這項研究為設計高離子電導率的固態電解質界面層材料開辟了新路徑。”向宇軒表示，未來或可通過調控氫含量來優化鋰電池性能。

（西湖大學供圖）