西湖大學工學院助理教授向宇軒課題組、朱一舟課題組合作，發現電池負極“保護膜”中一種關鍵物質氟化鋰不是純的。這一成果打破了人們長期以來對電極界面層中各組分為純相的認知，為高性能二次電池中快速離子傳輸機制提供了新的解釋。9月10日，相關研究成果發表在《自然》。
實驗室中正在運行測試的鋰離子電池。課題組供圖在冷凍電鏡下觀察固態電解質界面。課題組供圖
上世紀70至80年代，科學家們就發現電池充電時，電解液會在負極表面產生電化學反應，形成一層薄膜，即固態電解質界面層。這層意外產生的“副產品”，被發現能夠傳輸鋰離子并緩解電解液的分解，因此，它也被認為是實現電池穩定性能的關鍵因素之一。此次的研究成果，就與這層薄膜中一個關鍵成分，氟化鋰有關。
氟化鋰身上也存在一個未解的“悖論”——當它在電池之外、為純凈的塊體時，鋰離子在其中近乎“動彈不得”，因為它的離子導電性極低；顯然，這和它在電池中起到的積極作用矛盾。有最新研究顯示，電池中產生的氟化鋰在納米尺度下具有顯著不同的結構特征。這意味著，電池負極那層膜可能具有獨特的物理化學性質。
向宇軒發現，電池中的氟化鋰與標準樣品氟化鋰的譜圖并不匹配。這些氟化鋰到底是什么？研究團隊使用了多核、多維固態核磁共振技術檢測氟原子、鋰原子，根據結果推測，混入的原子是氫，并且，鋰、氟、氫三種原子在納米尺度上形成了一種新的微觀結構。為了驗證猜想，他們人為將氫加入到氟化鋰中，合成了一系列具有不同比例氫含量的鋰-氫-氟樣品，并再次用核磁共振技術檢測。那個曾在氟原子“片子”中新出現“峰”，來自于氫含量較高的鋰-氫-氟。
至此，向宇軒團隊首次揭示了電池負極“保護膜”中的氟化鋰，并不是純的，而是包含了一種由鋰、氟、氫共同構成的固溶體結構。
西湖大學工學院助理教授朱一舟實驗室通過第一性原理計算，對比了鋰離子在氟化鋰和氫化鋰中移動的難易情況。結果顯示，確實鋰離子在氫含量高的環境中，更容易“動起來”，自然有利于電池性能的提升。
向宇軒團隊對主流的鋰電池類型，進行了系統性測試。結果顯示，在許多性能優異的體系中，都觀察到了較高的鋰-氫-氟的含量。氫含量較高的氟化鋰，較之純氟化鋰，能讓鋰金屬負極表現更佳。由此，向宇軒團隊為氟化鋰身上的悖論提供了一種全新的視角。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09498-7
本文鏈接：不純，原來你是這樣的電池負極“保護膜”http://www.sq15.cn/show-11-25876-0.html
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