俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)和技術(shù)學(xué)院（Skoltech）能源科學(xué)與技術(shù)中心的研究人員利用原位原子力顯微鏡（AFM）在電池碳質(zhì)電極材料上直觀地觀察到了固體電解質(zhì)中間相的形成。這將有助于研究人員設(shè)計(jì)和制造出具有更高的性能和耐久性的電池。

固體電解質(zhì)中間相（SEI）是在鋰離子電池陽極表面形成的一層薄薄的電解質(zhì)還原產(chǎn)物，在幾個初始循環(huán)過程中形成。它可以防止電解質(zhì)進(jìn)一步分解，穩(wěn)定電極/電解質(zhì)界面，確保電池壽命。SEI膜的形成要時間和能量，其質(zhì)量在很大程度上決定了電池的性能和耐久性：SEI的形成不良會導(dǎo)致電池性能的快速下降。

盡管如此，人們對SEI的形成過程仍然不甚了解，科學(xué)家們利用原位原子力顯微鏡，可以直接觀察到這一過程。迄今為止，這些測量大多是在高取向熱解石墨（HOPG）上進(jìn)行的，HOPG是一種非常純凈和有序的石墨形式，它的基底平面很干凈，原子平面很平整。然而，HOPG是實(shí)際的電池級電極材料的替代品，因此，HOPG的工藝與商業(yè)電池內(nèi)部的情況有很大的不同。

由SergeyLuchkin和KeithStevenson教授領(lǐng)導(dǎo)的Skoltech團(tuán)隊(duì)成功地實(shí)現(xiàn)了電池材料上SEI形成的可視化。為此，他們設(shè)計(jì)出一種電化學(xué)電池，允許進(jìn)行這種直接觀察SEI形成所需的測量。

"電池材料是粉末狀的，用原子力顯微鏡可視化其表面的動態(tài)過程，特別是在液體環(huán)境中，是一個挑戰(zhàn)。一個標(biāo)準(zhǔn)的電池電極有關(guān)這樣的測量來說太粗糙了，而且在掃描過程中，孤立的顆粒往往會從基體上脫落。為了克服這個問題，我們將顆粒嵌入到環(huán)氧樹脂中，并做了一個橫截面，所以顆粒被牢牢地固定在基底上。"Luchkin說。

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研究人員發(fā)現(xiàn)，電池級材料上的SEI與HOPG上的SEI成核的電位不同。它的厚度也比HOPG厚了2倍以上，機(jī)械強(qiáng)度也更強(qiáng)。最后，他們能夠證明，與電池級石墨的粗糙表面相比，SEI與HOPG的平坦表面結(jié)合得更好。

"這項(xiàng)工作中詳述的對電池界面和相間層的空間分辨率調(diào)查為正極SEI的結(jié)構(gòu)和演變供應(yīng)了重要的新見解。因此，它們?yōu)楹侠淼碾娊庖涸O(shè)計(jì)供應(yīng)了指導(dǎo)，使高性能電池的安全性得到提高。"Stevenson補(bǔ)充道。

論文標(biāo)題為《Solid-electrolyteinterphasenucleationandgrowthoncarbonaceousnegativeelectrodesforLi-ionbatteriesvisualizedwithinsituatomicforcemicroscopy》。