电池：钝化层之谜解开

研究人员描述了锂离子电池电极的化学过程

 

在我们的日常生活中，锂离子电池已经变得不可或缺。它们之所以起作用，仅仅是因为在它们的初始循环中形成了钝化层。正如研究人员通过模拟发现的那样，这种固体电解质界面并不直接在电极上形成，而是在溶液中聚集。他们的发现可以优化未来电池的性能和寿命。

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在我们的日常生活中，锂离子电池已经变得不可或缺。它们之所以起作用，仅仅是因为在它们的初始循环中形成了钝化层。正如卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的研究人员通过模拟发现的那样，这种固体电解质界面不是直接在电极上形成，而是在溶液中聚集。科学家们在Advanced Energy Materials杂志上报告了他们的研究。他们的发现可以优化未来电池的性能和寿命。

从智能手机到电动汽车——只要需要移动能源，几乎总是锂离子电池可以胜任。这种和其他液体电解质电池的可靠功能的一个重要部分是固体电解质中间相 (SEI)。该钝化层在第一次施加电压时形成。电解液在表面附近分解。到目前为止，还不清楚电解质中的颗粒是如何在电极表面形成高达 100 纳米厚的层，因为分解反应只能在距表面几纳米的距离内发生。

阳极表面的钝化层对锂离子电池的电化学容量和寿命至关重要，因为它在每个充电周期都承受着很高的压力。当 SEI 在此过程中破裂时，电解质会进一步分解，电池容量会降低——这一过程决定了电池的寿命。通过对 SEI 的生长和组成的正确了解，可以控制电池的性能。但到目前为止，没有任何实验或计算机辅助方法足以破译 SEI 在非常广泛和不同维度上发生的复杂增长过程。

作为欧盟 BATTERY 2030+ 倡议的一部分进行研究

KIT 纳米技术研究所 (INT) 的研究人员现在设法通过多尺度方法来表征 SEI 的形成。“这解决了关于所有液体电解质电池的重要部分的一大谜团——尤其是我们每天都使用的锂离子电池，”“多尺度材料建模和虚拟设计”研究组主任 Wolfgang Wenzel 教授说。在 INT，它参与了欧洲大规模研究计划 BATTERY 2030+，该计划旨在为未来开发安全、负担得起、持久、可持续的高性能电池。KIT 研究人员在 Advanced Energy Materials 杂志上报告了他们的发现。

超过 50,000 次针对不同反应条件的模拟

为了检查液体电解质电池阳极钝化层的生长和组成，INT 的研究人员生成了代表不同反应条件的 50,000 多个模拟的集合。他们发现有机 SEI 的生长遵循溶液介导的途径：首先，直接在表面形成的 SEI 前体通过成核过程在远离电极表面的地方连接。随后核的快速生长导致形成最终覆盖电极表面的多孔层。这些发现为 SEI 成分只能在电子可用的表面附近形成的矛盾情况提供了解决方案，但一旦覆盖了这个狭窄区域，它们的生长就会停止。“