【儀表網 研發快訊】在鋰離子電池中，電極與電解質界面形成的SEI被稱為“關鍵而神秘的膜”。它像一層“盔甲”，既能緩解電解液的持續分解，又能促進離子的快速傳輸，直接影響電池的能量密度、循環壽命和安全穩定。然而，受限于SEI膜自身的低結晶性和高敏感性，以及對SEI膜中輕質元素(Li、H)表征手段的局限性，至今未能揭開SEI膜的組分結構這層神秘的面紗。
近日，復旦大學智能材料與未來能源創新學院孫大林、宋云教授團隊與西湖大學向宇軒教授、朱一舟教授團隊合作，通過固態核磁共振(NMR)、同步輻射X射線衍射(SR-XRD)、冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)技術首次確定了SEI中存在LiF-LiH固溶相。這一發現打破了學術界長期所認為的SEI膜中各組分是單一相的傳統經驗認知，為高性能二次電池中快速離子傳輸機制提供了新解釋。對SEI組分異質性的重新認識，將逐漸掀開SEI膜的神秘面紗，并為電極-電解質界面設計提供新思路。
北京時間9月10日23時，相關成果以“Probing the Heterogeneous Nature of LiF in Solid-Electrolyte Interphases”(《揭示負極-電解質界面LiF*的非均相特征》)為題發表于Nature(《自然》)雜志。
圖2. SEI的固態核磁特征氟譜
團隊通過固態NMR技術對Cu||LiFePO4電池負極的SEI進行表征，首次發現傳統意義上歸屬于LiF*的信號由兩個亞峰組成：F1(195 ppm)和F2(203 ppm)。其中F2與純LiF化學位移一致，而F1此前未見報道，意味著SEI中存在不同于純LiF的化學環境。
圖3.對Li-H-F元素之間的關聯性分析以及LiHxF1-x物質的表征參照
為揭示F1信號的本征特性，團隊結合6Li同位素標記NMR和1H-19F相關固態核磁譜分析：6Li-19F異核相關(HETCOR)核磁結果顯示，F1與0.1 ppm的Li核相關(接近LiH的0.2ppm)，而F2與0.9ppm的Li核相關(接近LiF的1.0ppm)；1H-19F HETCOR進一步證實F1與4.0 ppm的H核(接近LiH的3.5ppm)存在空間關聯。使用同步輻射X射線衍射(SR-XRD)、冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)技術交叉證明了SEI中存在LiH-LiF固溶相。
理論計算與電化學結果表明，LiH-LiF固溶相的鋰離子擴散能壘顯著低于純LiF，利于鋰離子的快速傳輸。使用LiH-LiF固溶相涂層的鋰金屬對稱電池在10mAcm-2下的沉積電位僅為純LiF涂層的50%，循環壽命延長10倍以上。
據悉，該研究成果的取得是多團隊、多學科交叉融合開出的璀璨之花，也是復旦大學本研融通人才培養模式以及智能材料與未來能源創新學院新工科拔尖創新人才培養體系結出的豐碩之果。從“曦源”計劃到學術前沿，這既是復旦學子的成長之路，也是學校探索教育教學改革3.0、構建自主培養體系的生動實踐。
智能材料與未來能源創新學院2025屆博士畢業生李舒揚為共同第一作者，參與者陳禹凡是2023級碩士研究生，兩人均自本科階段便扎根實驗室，依托復旦大學“曦源計劃”，在孫大林教授與宋云教授的聯合指導下開展系統性科研探索。智能材料與未來能源創新學院教授高尚鵬在EELS(能量損失譜)分析方面提供了重要支持；該研究工作得到了復旦大學智能材料與未來能源創新學院和國家自然科學基金等項目的大力支持。
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