研究人员描述了锂离子电池中钝化层的形成方式

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。他们的研究已发表在《先进能源材料》杂志上。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——任何需要移动能源的地方——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。电解液在表面附近被分解。到目前为止，尚不清楚电解质中的颗粒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进行。

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，电解液会进一步分解，电池容量会降低——这一过程决定了电池的寿命。通过正确了解SEI的生长和组成，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。

KIT纳米技术研究所(INT)的研究人员现已设法通过多尺度方法表征SEI的形成。“这解决了关于所有液体电解质电池的一个重要部分的重大谜团——尤其是我们每天都使用的锂离子电池，”WolfgangWenzel教授说，他是“多尺度材料建模和虚拟设计”研究小组的主任。INT参与了欧洲大规模研究计划BATTERY2030+，该计划旨在为未来开发安全、经济、持久、可持续的高性能电池。

超过50,000次针对不同反应条件的模拟

为了检查液态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。“我们能够确定决定SEI厚度的关键反应参数，”INT的博士后和该研究的作者之一SaibalJana博士解释说。

“这将有助于未来开发电解质和合适的添加剂，以控制SEI的特性并优化电池的性能和寿命。”

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