你的“电量焦虑”有救了？西湖大学研究破解电池领域核心难题

【导语】锂离子电池已深入生活方方面面，但其负极保护膜的关键物质氟化锂（LiF）始终充满谜团。北京时间9月10日23时，西湖大学向宇轩课题组与朱一舟课题组合作在Nature杂志发文，发现LiF并非“纯”物质，而是锂、氟、氢构成的固溶体，该发现为电池性能提升指明新方向。

手机、电脑、电动汽车、智能手表、无线耳机……我们身边几乎所有的便携电子设备，都离不开锂离子电池。作为目前最成熟、最高效的可充电电池技术，它从20世纪90年代走向商业化，如今已深入日常生活的方方面面。

那么，一块“好用”的电池应该具备哪些特质？充电快、容量大、轻薄便携？要想有针对性地提升电池性能，我们(men)必(bì)须(xū)了(le)解(jiě)电(diàn)池(chí)的(de)内(nèi)部(bù)构(gòu)造(zào)，尤(yóu)其(qí)是(shì)那(nà)层(céng)位(wèi)于(yú)电(diàn)极(jí)表(biǎo)面(miàn)、至(zhì)今(jīn)仍(réng)充(chōng)满(mǎn)谜(mí)团(tuán)的(de)“保(bǎo)护(hù)膜(mó)”。

锂(lǐ)电(diàn)池(chí)

北(běi)京(jīng)时(shí)间(jiān)9月(yuè)10日(rì)23时(shí)，西(xi)湖(hú)大(dà)学(xué)工(gōng)学(xué)院(yuàn)向(xiàng)宇(yǔ)轩课题组与朱一舟课题组合作，在Nature杂志发表了题为“Probing the Heterogeneous Nature of LiF in Solid-Electrolyte Interphases”的最新研究成果。他们在二次电池电极—电解质界面研究中取得关键突破：发现电池负极保护膜中的关键物质——氟化锂（LiF），不是“纯”的。

论文截图

这一发现刷新了人们对电极界面层组成的传统认知，为高性能二次电池中的离子传输机制提供了全新理论依据，也将为新一代电解液和界面材料的设计指明方向。

电池研究中的“圣杯级”难题

锂离子电池主要由三部分构成：正极、负极，以及允许锂离子移动的电解质（通常为电解液）。其中，正负极与电解质之间的界面区域，是各类电化学反应发生的核心地带。

早在上世纪70至80年代，科学家就发现，电池在充电过程中，电解液会在负极表面发生反应，生成一层极薄的固态电解质界面（SEI）膜。这层起初被视为“副产品”的薄膜，后来被证实能够有效传导锂离子并抑制电解液分解，因此被认为是电池稳定工作的关键。

尽管大名鼎鼎，这层膜却始终蒙着神秘面纱。

“人人都知道它重要，但它最少被人理解。大家知道它的大致组分（即成分）有什么，但到现在都没有人能说出精确的组成，更不知道微观的结构是什么……”向宇轩解释。

究其原因，在于这层膜极薄，通常仅几十纳米，相当于头发丝直径的千万分之一，结构复杂且极不稳定。它在空气中易与水分和氧气反应，甚至在电子显微镜的电子束照射下就会分解，因此成为电池研究中公认的“圣杯级”难题。

向宇轩团队此次的研究对象，正是这层膜中的关键成分——LiF（氟化锂）。

科学突破从卡顿起步

2022年，刚从厦门大学博士毕业不久的向宇轩，通过了西湖大学的面试，入职西湖大学工学院。他志在搭建一个“能源材料先进表征实验室”，使用包括先进的固体核磁在内的表征技术，理解电池体系里面的复杂问题。

在过去的四十年中，科学家普遍认为LiF对电池性能至关重要，因此含氟化合物被广泛用于商业锂电池，以在电极表面构筑富含LiF的保护层，从而提高电池循环寿命与安全性。然而一个未解的“悖论”始终存在：块状纯净的LiF离子电导率极低，几乎不导电，这与它(tā)在(zài)电(diàn)池(chí)中(zhōng)所(suǒ)起(qǐ)的(de)积(jī)极(jí)作(zuò)用(yòng)明(míng)显(xiǎn)矛(máo)盾(dùn)。

许(xǔ)多(duō)科(kē)学(xué)突(tū)破(pò)，经(jīng)常(cháng)从(cóng)某(mǒu)一(yī)刻(kè)的(de)卡(kǎ)顿(dùn)起(qǐ)步(bù)。

在(zài)一(yī)次(cì)实(shí)验(yàn)中(zhōng)，向(xiàng)宇(yǔ)轩(xuān)注意到电池中LiF的核磁共振谱图与标准样品存在细微差异——谱线中多出了一处微小“鼓包”。这个在旁人眼中容易被忽略的细节，却引起了他的高度警觉。

肉眼看，这个奇怪之处近乎微小不可辨，但向宇轩像被闪电击中了，他立刻决定：追！于是，团队立即调整研究方向，从原本关注“LiF有多少(shǎo)”，转(zhuǎn)向(xiàng)追(zhuī)问“LiF到底是什么”。

最终，团队与复旦大学宋云教授合作证实，该未知信号正来源于含氢量较高的Li-H-F相。也就是说，电池负极保护膜中的LiF并非纯净物，而是一种由锂、氟、氢共同构成的固溶体。这一结论也得到了同步辐射X射线衍射（XRD）与冷冻电镜（cryo-EM）的进一步支持。

交叉学科带来的创新活力

那么，这种“不纯”的LiF是否正是提升电池性能的关键？

本次论文合作者朱一舟课题组通过第一性原理计算发现，锂离子在含氢环境中的迁移能垒显著降低，说明氢的掺入的确有助于锂离子传输，从而提升电池性能。

团队进一步在不同电解液体系的电池中展开测试，结果一致表明：在高性能电池中，往往伴随更高比例的Li-H-F相存在。尤其是在被视为下一代高能量电池的锂金属体系中，含氢LiF也表现出更优异的电化学性能。

这项研究，为LiF的“导电悖论”提供了一个全新的科学解释。

一项颠覆性发现，不仅源于科研人员的敏锐与坚持，也离不开学科交叉带来的创新活力。

向宇轩表示，课题曾一度陷入停滞，直到在学术会议上结识了做储氢研究的宋云教授，才得以合成关键样品。“隔行如隔山，她们也不知道电池中的LiF会有这样的信号。”计算专家朱一舟教授的早期加入，也为假说建立与验证提供了关键支持。

如今，向宇轩正带领团队继续进军电池更深层的奥秘，有望推动更高性能、更安全电池的研发与设计。

（本文图片由西湖大学供图）