手機、電腦、電動汽車、智能手表、無線耳機……幾乎所有需要充電的便攜式移動電子設(shè)備都使用鋰離子電池。鋰電池中電極表面的“保護膜”對提升電池性能至關(guān)重要。近日，西湖大學工學院向宇軒團隊研究發(fā)現(xiàn)，電池負極“保護膜”中的關(guān)鍵物質(zhì)氟化鋰並非純淨物，為高性能二次電池中快速離子傳輸機制提供了新的解釋。相關(guān)研究成果日前於國際學術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。

鋰離子中，正/負電極與電解質(zhì)間的界面是各類化學反應與物理過程發(fā)生的核心區(qū)域。電池充電時，電解液會在負極表面產(chǎn)生電化學反應，形成一層薄膜，即固態(tài)電解質(zhì)界面層。然而，這層“保護膜”組分與結(jié)構(gòu)復雜，通常隻有幾十納米厚，且結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定。因此，科學界鮮有深入研究。

為了清晰檢測原子之間的空間結(jié)構(gòu)，向宇軒團隊採用多核、多維固態(tài)核磁共振技術(shù)對電池負極“保護膜”中的氟原子和鋰原子進行觀測。在觀測氟原子時，團隊發(fā)現(xiàn)了兩個波峰?！捌渲幸粋€屬於氟化鋰，我們推測另一個屬於鋰、氟原子之外混入的其他原子?！毕蛴钴幗忉專拔覀冎髾z測了鋰原子以及鋰原子與氟原子的相關(guān)性。根據(jù)結(jié)果推測，混入的原子是氫，且鋰、氟、氫三種原子在納米尺度上形成了一種新的微觀結(jié)構(gòu)?！?/p>

之后，團隊通過人為將氫加入氟化鋰，合成一系列具有不同比例氫含量的Li-H-F樣品，並再次用核磁共振技術(shù)檢測，驗証了實驗中的第二個波峰來自氫含量較高的Li-H-F。這一結(jié)論也得到了同步輻射X射線衍射實驗與冷凍電子顯微鏡的支持。

同樣來自西湖大學工學院的朱一舟團隊專注計算材料學。他們對比鋰離子在氟化鋰和氫化鋰中移動的難易情況。計算結(jié)果顯示，在氫含量高的環(huán)境中，鋰離子更容易“動起來”，也更有利於電池性能提升。

回到電池本身，向宇軒團隊對不同電解液體系的主流鋰電池類型進行了系統(tǒng)性測試。在許多性能優(yōu)異的體系中，他們都觀察到了較高的Li-H-F含量，証明了實驗結(jié)果在所有種類鋰電池中的適用性，為高性能鋰電池的設(shè)計提供了全新的思路與方向。（記者劉習、陸健）

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