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【导语】9月10日23时，西湖大学工学院向宇轩课题组与朱一舟课题组合作在Nature杂志发文，揭示电池负极保护膜关键物质氟化锂并非“纯净物”，而是锂、氟、氢构成的固溶体。这一发现刷新传统认知，为高性能电池离子传输机制提供新依据，也将助力新一代电解液和界面材料设计。

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，我们必须了解电池的内部构造，尤其是那层位于电极表面、至今仍充满谜团的“保护膜”。

锂电池

北京时间9月10日23时，西湖大学工学院向宇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(dǐng)鼎，这层膜却始(shǐ)终(zhōng)蒙(méng)着(zhe)神(shén)秘(mì)面(miàn)纱(shā)。

“人(rén)人(rén)都(dōu)知(zhī)道(dào)它(tā)重(zhòng)要(yào)，但(dàn)它(tā)最(zuì)少(shǎo)被(bèi)人(rén)理(lǐ)解(jiě)。大(dà)家(jiā)知(zhī)道(dào)它(tā)的(de)大(dà)致(zhì)组(zǔ)分(fēn)（即(jí)成(chéng)分(fēn)）有(yǒu)什(shén)么(me)，但(dàn)到(dào)现(xiàn)在(zài)都(dōu)没(méi)有(yǒu)人(rén)能(néng)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(de)固(gù)体(tǐ)核(hé)磁(cí)在(zài)内(nèi)的(de)表(biǎo)征(zhēng)技(jì)术(shù)，理(lǐ)解(jiě)电(diàn)池(chí)体(tǐ)系(xì)里(lǐ)面(miàn)的(de)复(fù)杂(zá)问(wèn)题(tí)。

在(zài)过(guò)去(qù)的(de)四(sì)十(shí)年(nián)中(zhōng)，科(kē)学(xué)家(jiā)普(pǔ)遍(biàn)认(rèn)为(wèi)LiF对(duì)电(diàn)池(chí)性(xìng)能(néng)至(zhì)关重(zhòng)要(yào)，因(yīn)此(cǐ)含(hán)氟(fú)化(huà)合(hé)物(wù)被(bèi)广(guǎng)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，这与它在电池中所起的积极作用明显矛盾。

许多科学突破，经常从某一刻的卡顿起步。

在一次实验中，向宇轩注意到电池中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(yǎn)看(kàn)，这(zhè)个(gè)奇(qí)怪(guài)之(zhī)处(chù)近(jìn)乎(hu)微(wēi)小(xiǎo)不(bù)可(kě)辨(biàn)，但(dàn)向(xiàng)宇(yǔ)轩(xuān)像(xiàng)被(bèi)闪(shǎn)电(diàn)击(jī)中(zhōng)了(le)，他(tā)立(lì)刻(kè)决(jué)定(dìng)：追(zhuī)！于(yú)是，团队立即调整研究方向，从原本关注“LiF有多少”，转向追问“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(yú)含(hán)氢(qīng)量(liàng)较(jiào)高(gāo)的(de)Li-H-F相(xiāng)。也(yě)就(jiù)是(shì)说(shuō)，电(diàn)池(chí)负(fù)极(jí)保(bǎo)护(hù)膜(mó)中(zhōng)的(de)LiF并(bìng)非(fēi)纯(chún)净(jìng)物(wù)，而(ér)是(shì)一(yī)种(zhǒng)由(yóu)锂(lǐ)、氟(fú)、氢(qīng)共(gòng)同(tóng)构(gòu)成(chéng)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(xiàn)出(chū)更(gèng)优(yōu)异(yì)的(de)电(diàn)化(huà)学(xué)性(xìng)能(néng)。

这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)，为(wèi)LiF的(de)“导(dǎo)电(diàn)悖(bèi)论(lùn)”提(tí)供(gōng)了(le)一(yī)个(gè)全新(xīn)的(de)科(kē)学(xué)解(jiě)释(shì)。

一(yī)项(xiàng)颠(diān)覆(fù)性(xìng)发(fā)现(xiàn)，不(bù)仅(jǐn)源(yuán)于(yú)科(kē)研(yán)人(rén)员(yuán)的(de)敏(mǐn)锐(ruì)与(yǔ)坚(jiān)持(chí)，也(yě)离(lí)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）