高性能锂电池设计有了新思路

手机、电脑、电动汽车、智能手表、无线耳机……几乎所有需要充电的便携式移动电子设备都使用锂离子电池。锂电池中电极表面的“保护膜”对提升电池性能至关重要。近日，西湖大学工学院向宇轩团队研究发现，电池负极“保护膜”中的关键物质氟化锂并非纯净物，为高性能二次电池中快速离子传输机制提供了新的解释。相关研究成果日前于国际学术期刊《自然》在线发表。

锂离子中，正/负电极与电解质间的界面是各类化学反应与物理过程发生的核心区域。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。然而，这层“保护膜”组分与结构复杂，通常只有几十纳米厚，且结构非常不稳定。因此，科学界鲜有深入研究。

为了清晰检测原子之间的空间结构，向宇轩团队采用多核、多维固态核磁共振技术对电池负极“保护膜”中的氟原子和锂原子进行观测。在观测氟原子时，团队发现了两个波峰。“其中一个属于氟化锂，我们推测另一个属于锂、氟原子之外混入的其他原子。”向宇轩解释，“我们之后检测了锂原子以及锂原子与氟原子的相关性。根据结果推测，混入的原子是氢，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。”

之后，团队通过人为将氢加入氟化锂，合成一系列具有不同比例氢含量的Li-H-F样品，并再次用核磁共振技术检测，验证了实验中的第二个波峰来自氢含量较高的Li-H-F。这一结论也得到了同步辐射X射线衍射实验与冷冻电子显微镜的支持。

同样来自西湖大学工学院的朱一舟团队专注计算材料学。他们对比锂离子在氟化锂和氢化锂中移动的难易情况。计算结果显示，在氢含量高的环境中，锂离子更容易“动起来”，也更有利于电池性能提升。

回到电池本身，向宇轩团队对不同电解液体系的主流锂电池类型进行了系统性测试。在许多性能优异的体系中，他们都观察到了较高的Li-H-F含量，证明了实验结果在所有种类锂电池中的适用性，为高性能锂电池的设计提供了全新的思路与方向。