不纯，原来你是这样的电池负极“保护膜”
西湖大学工学院助理教授向宇轩课题组、朱一舟课题组合作，发现电池负极“保护膜”中一种关键物质氟化锂不是纯的。这一成果打破了人们长期以来对电极界面层中各组分为纯相的认知，为高性能二次电池中快速离子传输机制提供了新的解释。9月10日，相关研究成果发表在《自然》。
实验室中正在运行测试的锂离子电池。课题组供图
在冷冻电镜下观察固态电解质界面。课题组供图
上世纪70至80年代，科学家们就发现电池充电时，电解液会在负极表面产生电化学反应，形成一层薄膜，即固态电解质界面层。这层意外产生的“副产品”，被发现能够传输锂离子并缓解电解液的分解，因此，它也被认为是实现电池稳定性能的关键因素之一。此次的研究成果，就与这层薄膜中一个关键成分，氟化锂有关。
氟化锂身上也存在一个未解的“悖论”——当它在电池之外、为纯净的块体时，锂离子在其中近乎“动弹不得”，因为它的离子导电性极低；显然，这和它在电池中起到的积极作用矛盾。有最新研究显示，电池中产生的氟化锂在纳米尺度下具有显著不同的结构特征。这意味着，电池负极那层膜可能具有独特的物理化学性质。
向宇轩发现，电池中的氟化锂与标准样品氟化锂的谱图并不匹配。这些氟化锂到底是什么？研究团队使用了多核、多维固态核磁共振技术检测氟原子、锂原子，根据结果推测，混入的原子是氢，并且，锂、氟、氢三种原子在纳米尺度上形成了一种新的微观结构。为了验证猜想，他们人为将氢加入到氟化锂中，合成了一系列具有不同比例氢含量的锂-氢-氟样品，并再次用核磁共振技术检测。那个曾在氟原子“片子”中新出现“峰”，来自于氢含量较高的锂-氢-氟。
至此，向宇轩团队首次揭示了电池负极“保护膜”中的氟化锂，并不是纯的，而是包含了一种由锂、氟、氢共同构成的固溶体结构。
西湖大学工学院助理教授朱一舟实验室通过第一性原理计算，对比了锂离子在氟化锂和氢化锂中移动的难易情况。结果显示，确实锂离子在氢含量高的环境中，更容易“动起来”，自然有利于电池性能的提升。
向宇轩团队对主流的锂电池类型，进行了系统性测试。结果显示，在许多性能优异的体系中，都观察到了较高的锂-氢-氟的含量。氢含量较高的氟化锂，较之纯氟化锂，能让锂金属负极表现更佳。由此，向宇轩团队为氟化锂身上的悖论提供了一种全新的视角。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09498-7
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