近日，学院何欣特聘研究员在Nature Communications上发表了题为“In situ infrared nanospectroscopy of the local processes at the Li/polymer electrolyte interface”的研究论文。该文章利用近场红外技术对发生在锂电极-聚合物电解质界面的反应进行了原位分析，首次透过石墨烯窗口从纳米尺度定性表征了电化学过程中界面发生的形貌结构和化学组成的演化，提出了基于非均质电解质材料下发生的锂微观结构转变的新型理论模型。

锂(Li)固态电池(SSB)在能量和功率密度、循环寿命、安全性和成本方面具有明显的优势，一直是引人注目的电能存储技术之一，该技术近年来的持续进步表明锂固态电池未来可大规模用于便携式电子产品和交通运输等应用场景。在诸多固态电解质体系中，聚合物电解质具有低自放电率、强机械适应性与大规模制造的兼容性等优点。然而，聚合物电解质也仍然必须克服与电极/电解质界面相关的性能限制，例如高界面阻抗、电化学不稳定性以及不均匀的锂电镀和剥离等问题。事实上，电池性能很大程度上取决于整个体系在电化学界面的热力学、动力学和机械性能。在这个界面发生的不仅有电化学平衡过程，在存在着电极/电解质界面薄钝化膜的生成。这一层固体电解质界面(SEI)对电池的运行至关重要，它提供了足够的电阻率和离子电导率，以抑制与电解质的副反应，同时仍允许Li+传输。此外，SEI的不均匀结构和化学性质会影响局部电流密度分布以及在充放电过程中产生的锂纳米/微米形态演变。

关于这个SEI层已有大量研究报道，这些成果主要是通过非原位的方式对电极/电解质界面的截面展开分析。基于此，学院的何欣特聘研究员在本项目中，创造性的应用单片层石墨烯作为电池集流体，使其在导通电流的基础上也能作为红外表征观测的窗口，配合在惰性气体环境中设计使用的近场红外技术，可以实现纳米尺度的原位微观表征分析。该方案的成功的集合了微观形貌和化学结构的无损表征，明确了初始状态化学组成纳米尺度的异质性是导致锂金属不均匀沉积的基础，并进一步影响界面在电化学过程中形貌和结构的演化，明确指出了未来固体电解质的研究方向。

原位近场红外实验原理及不通电化学状态下的形貌结构示意图

整体演化过程分以下四个阶段：

1.电极/电解质在初始情况下接触面是较为粗糙的，且由于锂盐与聚合物混合不均匀会造成不同程度的局部异质组分生成。

2.适当温度加热可以降低局部粗糙程度，增强贴合效果，同时温度升高也提升了分子运动效果，改进了锂盐和聚合物混合的均一程度，但并没有达到完全均质化。

3.电化学过程中锂金属的沉积倾向于在具有更高锂导通能力的电解质部分发生，因而导致了不均匀锂沉积问题的出现。而由于电解质初始状态组分异质的原因，导致锂金属和固态电解质形成的SEI层具有不同的分解产物，进一步影响界面稳定性和导锂能力。

4.当锂金属完全脱出后，可以更明显的观测到石墨烯/电解质界面所形成的的SEI层的马赛克结构分布效果和不同的化学组分。

原文链接如下：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29103-z

资料来源：何欣特聘研究员

审核：钮大文

编辑：高敏

2022年3月21日