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手機(jī)、電腦、電動(dòng)汽車、智能手表、無線耳機(jī)……你身邊幾乎所有需要充電的便攜式移動(dòng)電子設(shè)備，都在使用“鋰離子電池”。它是當(dāng)今最成熟、最高效的可充電電池技術(shù)，自20世紀(jì)90年代以來逐漸商業(yè)化，也走入了千家萬戶的生活中。

實(shí)驗(yàn)室中正在運(yùn)行測試的鋰離子電池

一款好用的電池應(yīng)該是什么樣的？充電快、容量大、電池輕薄？想要針對(duì)性地提升電池的性能，我們需要了解電池為什么長這樣、它里面有什么。然而，在鋰電池中，電極表面有一層重要的“保護(hù)膜”，迄今為止，人類都對(duì)它知之甚少……

北京時(shí)間9月10日23時(shí)，西湖大學(xué)工學(xué)院向宇軒課題組與朱一舟課題組合作，以Probing the Heterogeneous Nature of LiF in Solid-Electrolyte Interphases為題，在Nature雜志發(fā)表最新研究成果。他們?cè)诙坞姵仉姌O-電解質(zhì)界面研究中取得突破性進(jìn)展；簡要地說，他們發(fā)現(xiàn)電池負(fù)極“保護(hù)膜”中一種關(guān)鍵物質(zhì)氟化鋰（LiF），不是純的。

這一成果打破了人們長期以來對(duì)電極界面層中各組分為純相的認(rèn)知，為高性能二次電池中快速離子傳輸機(jī)制提供了新的解釋；進(jìn)一步，也為電池的高性能電解液及電極界面層材料的設(shè)計(jì)提供了重要理論指導(dǎo)。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09498-7

上線截圖

鋰離子電池有三個(gè)基本的組成部分：正極、負(fù)極，與能讓鋰離子移動(dòng)的電解質(zhì)（多數(shù)為電解液）。其中，正/負(fù)電極與電解質(zhì)間的界面，是各類化學(xué)反應(yīng)與物理過程發(fā)生的核心區(qū)域。

早在上世紀(jì)70至80年代，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)電池充電時(shí)，電解液會(huì)在負(fù)極表面產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，形成一層薄膜，即固態(tài)電解質(zhì)界面層。這層意外產(chǎn)生的“副產(chǎn)品”，被發(fā)現(xiàn)能夠傳輸鋰離子并緩解電解液的分解，因此，它也被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)電池穩(wěn)定性能的關(guān)鍵因素之一。

在科學(xué)界，這一層薄膜屬于大名鼎鼎，卻令人敬畏的存在。

“人人都知道它重要，但它最少被人理解。大家知道它的大致組分（即成分）有什么，但到現(xiàn)在都沒有人能說出精確的組成，更不知道微觀的結(jié)構(gòu)是什么……”向宇軒解釋說。

這是因?yàn)椋虘B(tài)電解質(zhì)界面層的組分與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度又很薄，通常只有幾十納米，是頭發(fā)絲直徑的千萬分之一。同時(shí)，這層材料又極為敏感，結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定。在空氣中，它易與水分和氧氣反應(yīng)；如果使用電子顯微鏡來進(jìn)行研究，電子束一照射，它就會(huì)發(fā)生分解。因此，它成為了電池研究領(lǐng)域“圣杯級(jí)”的課題。

在冷凍電鏡下觀察固態(tài)電解質(zhì)界面

向宇軒他們此次的研究成果，就與這層薄膜中一個(gè)關(guān)鍵成分，LiF（氟化鋰）有關(guān)。

過去40年的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)LiF在保障電池性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，含氟的鋰鹽、溶劑和添加劑被廣泛應(yīng)用于商業(yè)鋰電池中，以在電極表面構(gòu)建一層富含LiF的保護(hù)層，來提升電池的循環(huán)壽命和運(yùn)行安全性。

但就像那層膜本身的撲朔迷離一樣，LiF身上也存在一個(gè)未解的“悖論”——

當(dāng)它在電池之外、為純凈的塊體時(shí)，鋰離子在其中近乎“動(dòng)彈不得”，因?yàn)樗碾x子導(dǎo)電性極低（導(dǎo)電率僅為10-7至10-14?S/cm）；顯然，這和它在電池中起到的積極作用矛盾。

有最新研究顯示，電池中產(chǎn)生的LiF在納米尺度下具有顯著不同的結(jié)構(gòu)特征；這意味著，電池負(fù)極那層膜可能具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)……

2022年，剛從廈門大學(xué)博士畢業(yè)不久的向宇軒，通過了西湖大學(xué)的面試，入職西湖大學(xué)工學(xué)院。他志在搭建一個(gè)“能源材料先進(jìn)表征實(shí)驗(yàn)室”，使用包括先進(jìn)的固體核磁在內(nèi)的表征技術(shù)，理解電池體系里面的復(fù)雜問題。

在這里，最常見的實(shí)驗(yàn)步驟之一，正是用核磁共振儀器給電池做“體檢”。簡單來講，核磁共振是一種通過探測原子核在磁場中的“共振信號(hào)”，來研究物質(zhì)內(nèi)部原子種類、化學(xué)環(huán)境和分子結(jié)構(gòu)的無損分析技術(shù)。這種技術(shù)能分析封閉系統(tǒng)，不會(huì)損傷檢測的樣品，適用于探測極其微小空間尺度的信息。總之，它能幫我們“透視”電池微觀的秘密。

把時(shí)間倒回到2022年初秋的某一天。

向宇軒凝視著電腦屏幕上，由核磁共振實(shí)驗(yàn)得到的電池里L(fēng)iF的“片子”。屏幕上，有一條水平走向、中間帶著一個(gè)峰巒的曲線。他總覺得哪里不對(duì)勁：較之理想化的情形，那個(gè)“峰”的起勢一段，有那么些小小的“鼓包”。換言之，電池中的LiF與標(biāo)準(zhǔn)樣品LiF的譜圖，并不匹配。

電池中產(chǎn)生的LiF和LiF標(biāo)準(zhǔn)樣品的核磁信號(hào)對(duì)比

做科研的人，直覺來得突然，許多科學(xué)突破，經(jīng)常從某一刻的卡頓起步。其實(shí)肉眼看，這個(gè)奇怪之處近乎微小不可辨，但向宇軒像被閃電擊中了，他立刻決定：追！

原本，他們?cè)谧龅恼n題是那層膜中的LiF“有多少”。但現(xiàn)在他們決意調(diào)轉(zhuǎn)馬頭：這些LiF，到底“是什么”？

讓我們暫且按下研究背后的故事不表，先了解這次的核心發(fā)現(xiàn)——在過往廣泛的認(rèn)知里，大家都以為LiF是純凈的，但西湖的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)不純的“家伙”！

由于目標(biāo)物質(zhì)是LiF，實(shí)驗(yàn)就從“觀察”電池那層負(fù)極保護(hù)膜中氟原子與鋰原子的情況開始。

為此，研究團(tuán)隊(duì)使用了“高級(jí)版本”的核磁共振技術(shù)，即多核、多維固態(tài)核磁共振技術(shù)：能檢測多種原子核，看到有哪些原子；還能看到這些原子之間的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，比如誰和誰挨著。

他們首先用核磁共振技術(shù)“看”了氟原子的情況。實(shí)驗(yàn)看似生成了一個(gè)常見的“峰”；然而，團(tuán)隊(duì)放大這一區(qū)域后發(fā)現(xiàn)，這個(gè)“峰”是由兩個(gè)不同的“峰”組成，其中一個(gè)“峰”可以歸屬于LiF，但另一個(gè)“峰”從未被報(bào)道過。基于此，團(tuán)隊(duì)推測?LiF中除了鋰原子、氟原子，可能還有其他原子混入。

接著，他們“看”了鋰原子，并檢測了鋰原子與氟原子的相關(guān)性。概括來說，根據(jù)結(jié)果推測，那個(gè)混入的原子是氫，并且，鋰、氟、氫三種原子在納米尺度上形成了一種新的微觀結(jié)構(gòu)。

事實(shí)上確實(shí)如此嗎？為了驗(yàn)證猜想，他們?nèi)藶閷浼尤氲絃iF中，合成了一系列具有不同比例氫含量的Li-H-F樣品，并再次用核磁共振技術(shù)檢測。事實(shí)確實(shí)如此！那個(gè)曾在氟原子“片子”中新出現(xiàn)“峰”，真的來自于氫含量較高的Li-H-F。

多維固體核磁揭示電池中LiF的局域環(huán)境

至此，向宇軒團(tuán)隊(duì)首次揭示了電池負(fù)極“保護(hù)膜”中的LiF，并不是純的，而是包含了一種由鋰、氟、氫共同構(gòu)成的固溶體結(jié)構(gòu)。這一結(jié)論得到了同步輻射X射線衍射實(shí)驗(yàn)（XRD）與冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）支持。

人們常常說結(jié)構(gòu)決定功能。這種新發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，會(huì)不會(huì)正好能解釋為何LiF能讓電池更好發(fā)揮性能？

輪到朱一舟實(shí)驗(yàn)室上場了。這個(gè)同樣來自西湖大學(xué)工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)，專注計(jì)算材料學(xué)，通過計(jì)算來理解、發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)、改性新型無機(jī)固體材料。他們通過第一性原理計(jì)算，對(duì)比了鋰離子在LiF（氟化鋰）和LiH（氫化鋰）中移動(dòng)的難易情況（即遷移勢壘）。結(jié)果顯示，果然，鋰離子在氫含量高的環(huán)境中，更容易“動(dòng)起來”，自然有利于電池性能的提升。

那么，這些結(jié)論適用于所有種類的鋰電池嗎？向宇軒團(tuán)隊(duì)回到電池本身，對(duì)主流的鋰電池類型（即不同的電解液體系），進(jìn)行了系統(tǒng)性測試。結(jié)果顯示，在許多性能優(yōu)異（即庫侖效率較高）的體系中，都觀察到了較高的Li-H-F的含量。

讓挑戰(zhàn)再升級(jí)一點(diǎn)！鋰金屬電池被認(rèn)為是下一代高能量電池的方向。一系列電化學(xué)測試的結(jié)果再次顯示，氫含量較高的LiF，較之純LiF，能讓鋰金屬負(fù)極表現(xiàn)更佳。

由此，向宇軒團(tuán)隊(duì)為LiF身上的悖論提供了一種全新的視角。

這是一個(gè)堪稱“顛覆性”的發(fā)現(xiàn)。

你可能想問，我們?yōu)槭裁匆筚M(fèi)周章地關(guān)心電池中一個(gè)已經(jīng)存在的物質(zhì)？答案是——意義很大。知道LiF是什么樣，以及為什么它會(huì)以這種形態(tài)存在于那些“好用”的電池中，高性能鋰電池的設(shè)計(jì)才會(huì)擁有全新的思路與方向。

這個(gè)成果源于科研工作者的敏感和直覺。用向宇軒的話說，因?yàn)椤岸嗫戳艘谎邸薄Ｋ麄冊(cè)诓殚單墨I(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，那個(gè)曾引起他注意的“鼓包”，在他人研究工作中，也有——但顯然，看見并不意味著行動(dòng)。因此，向宇軒現(xiàn)在對(duì)實(shí)驗(yàn)室的成員們會(huì)強(qiáng)調(diào)：“如果你在實(shí)驗(yàn)中看到異常的信號(hào)，要嘗試去理解它。”

向宇軒在實(shí)驗(yàn)室

這也是學(xué)科交叉再一次開出的璀璨之“花”。

其實(shí)，朱一舟實(shí)驗(yàn)室參與到這項(xiàng)研究中，遠(yuǎn)比論文所呈現(xiàn)出得要早得多。朱一舟是固態(tài)電解質(zhì)計(jì)算領(lǐng)域的專家，她以計(jì)算揭開物質(zhì)的“真面目”，有多項(xiàng)重要的研究成果。因此，向宇軒在課題早期假設(shè)階段就邀請(qǐng)她加入了研究，每產(chǎn)生一種假說，他都會(huì)找朱一舟討論成立與否。

而這個(gè)成果所涉及到的跨界合作，也不止于西湖。這個(gè)課題曾在一年里一籌莫展，直到向宇軒在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，認(rèn)識(shí)了復(fù)旦大學(xué)的宋云教授，一位儲(chǔ)氫方面的專家。宋云提及她們正在合成一種摻雜了氫的LiF；巧了，這正是向宇軒翹首以盼的樣品。制作此類樣品，并非向宇軒團(tuán)隊(duì)所長，意味著漫漫的挑戰(zhàn)之路，但對(duì)于宋云的團(tuán)隊(duì)來說，在儲(chǔ)氫領(lǐng)域，用氟和氫相互替代，是非常常見的實(shí)驗(yàn)策略；不過，隔行如隔山，氫能源方面的專家，并不知道電池中的LiF有這樣特殊的核磁信號(hào)，也只模糊地意識(shí)到氫的加入可能會(huì)對(duì)鋰離子有好處……

成果，有時(shí)候僅僅意味著新的起點(diǎn)。

眼下，向宇軒帶著年輕的團(tuán)隊(duì)，向電池的更多秘密進(jìn)發(fā)了。

實(shí)驗(yàn)室成員合照

西湖大學(xué)工學(xué)院助理研究員劉湘思、復(fù)旦大學(xué)博士畢業(yè)生李舒揚(yáng)、西湖大學(xué)工學(xué)院科研助理袁晨、西湖大學(xué)工學(xué)院助理研究員鄭碧珠為本文共同第一作者。復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院教授宋云，西湖大學(xué)工學(xué)院助理教授朱一舟，西湖大學(xué)工學(xué)院助理教授向宇軒為本文的共同通訊作者。

本研究得到了西湖大學(xué)黃嘉興教授團(tuán)隊(duì)提供的重要支持與合作。在此，團(tuán)隊(duì)感謝西湖大學(xué)分子科學(xué)平臺(tái)盧星宇、顧丹玉老師提供了多維多核固態(tài)核磁共振的支持，也感謝西湖卓越學(xué)者計(jì)劃，西湖大學(xué)高性能計(jì)算中心、物質(zhì)科學(xué)公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，及其他提供相關(guān)技術(shù)支持的老師們。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)感謝西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心（RCIF）、西湖教育基金會(huì)、國家自然科學(xué)基金以及中國博士后科學(xué)基金的資助。