研究人员利用X射线揭示锂金属电池化学成分

锂离子电池因其效率高、寿命长等优点，在电动汽车中得到了广泛的应用。然而，随着用户对续航里程的要求越来越高，研究人员将目光转向了锂金属电池。在锂金属电池中，锂金属阳极可以提供比石墨阳极高得多的能量密度。目前，研究人员面临的最大挑战之一是找到一种在电池充放电时稳定负极的方法。

据国外媒体报道，来自布鲁克海文实验室和太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员对锂金属电池中的固体电解质界面膜(SEI)进行了深入研究。这是电池放电时负极和电解液之间形成的化学层，对提高锂金属电池的稳定性非常重要。

该团队使用国家同步加速器光源II进一步研究SEI复杂而难以捉摸的化学成分。该设备可以产生超高亮度的X射线，用于研究材料的原子组成。

多年来，研究人员一直利用NSLS-II先进的X射线粉末衍射光束线，在电池化学领域有了新的发现。基于以前的研究结果，该团队重新使用XPD来获得关于界面膜的准确发现。“以前已经发现高能同步加速器X射线不会损坏界面薄膜样品，”研究人员胡恩源说。这具有重要意义，因为表征界面膜的最大挑战之一是样品对其他类型的辐射高度敏感，包括低能X射线。因此，在这项工作中，研究人员使用了两种技术，通过X射线、X射线衍射和分布函数分析，找到锂金属阳极界面膜中晶相与非晶相的化学组成。该团队在锂金属电池50次循环后收集了足够多的界面膜样本，然后将电池拆开，从锂金属表面刮掉少量界面膜粉末，将XPD的高能X射线对准样本，揭示复杂的化学成分。"

研究人员表示，XPD是世界上少数几个能够进行这项研究的光束线之一。这种技术有三个优点，包括吸收截面小，所以对样品的损伤小；结合技术和X射线衍射，得到真实空间信息的相位信息和对数分布函数。通过高强度光束从微量样品中获得质量数据。

这种先进X射线技术的独特组合为该团队提供了界面膜成分的详细化学图，包括其起源、功能、相互作用和演变。

布鲁克海文实验室博士后沙坦(Sha Tan)说:“研究人员专注于界面膜的三种不同成分，第一种是氢化锂及其形成机制。以前的研究发现界面膜中存在氢化锂，这次确定了氢源。”具体来说，该团队确定了锂金属阳极中发现的氢氧化锂，它可能是氢化锂的贡献者。在设计过程中，控制这种化合物的组成有望充分提高界面膜的性能。

谭说:“其次，研究人员对氟化锂进行了探索，发现它可以在低浓度电解质中大规模形成。这种物质对电化学性能非常重要。”此前，研究人员认为只有使用高浓度电解质才能形成氟化锂，这依赖于昂贵的盐。这一工作为低浓度电解质更具成本效益并有望在电池系统中发挥良好作用提供了证据。

谭说:“第三，研究人员观察氢氧化锂，以了解它在电池循环过程中的消耗。这些新发现对于理解界面膜具有重要意义。”

总之，这些发现有助于发现以前被忽略的界面膜成分，并更精确和可控地设计锂金属电池的界面膜。