研究要點(diǎn)

在鋰離子電池、鋰金屬電池等儲(chǔ)能器件中，固體電解質(zhì)界面（SEI）層堪稱 "隱形守護(hù)者"—— 它由電解質(zhì)組分還原分解形成，既要允許鋰離子快速傳輸，又要阻斷電極與電解質(zhì)間的無(wú)效電子轉(zhuǎn)移，直接決定電池的循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能與安全性。然而，SEI層是動(dòng)態(tài)演化的納米尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其局部功能與化學(xué)組成的關(guān)聯(lián)一直是電池領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。近日，《Chemistry of Materials》發(fā)表的一項(xiàng)創(chuàng)新研究，通過(guò)掃描電化學(xué)顯微鏡（SECM）與X 射線光電子能譜（XPS）的原位聯(lián)用技術(shù)，成功破解了這一難題。

研究背景：

SEI 層的 "神秘面紗"

難以揭開(kāi)

理想的SEI 層應(yīng)具備"離子導(dǎo)通、電子阻擋" 的核心特性，

但實(shí)際情況更為復(fù)雜：

• SEI 層厚度僅10到數(shù)百納米，且在平行和垂直于電極表面方向均存在異質(zhì)性，靠近電極側(cè)以無(wú)機(jī)化合物為主，靠近電解質(zhì)側(cè)以有機(jī)化合物為主；

• 作為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，SEI 層的組成易受外界環(huán)境影響，轉(zhuǎn)移至分析儀器過(guò)程中可能發(fā)生物質(zhì)脫附、真空蒸發(fā)或化學(xué)反應(yīng)；

• 傳統(tǒng)表征技術(shù)難以同時(shí)獲取 SEI 層的局部電化學(xué)性能與化學(xué)組成信息，無(wú)法建立功能與結(jié)構(gòu)的直接關(guān)聯(lián)。

這些挑戰(zhàn)嚴(yán)重制約了高性能電池電解質(zhì)配方優(yōu)化與電極界面調(diào)控技術(shù)的發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新：

SECM+XPS "強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合"

實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)表征

這項(xiàng)研究的核心突破在于建立了一套 "同位置、無(wú)損傷、惰性轉(zhuǎn)移" 的表征體系，讓 SEI 層的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程無(wú)所遁形：

創(chuàng)新樣品轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)：特制樣品架可實(shí)現(xiàn)電極在 SECM 電解池內(nèi)的循環(huán)測(cè)試，且能在氬氣手套箱保護(hù)下，將樣品無(wú)損轉(zhuǎn)移至 XPS 儀器，全程避免空氣與水分干擾；

坐標(biāo)校準(zhǔn)精準(zhǔn)定位：通過(guò)測(cè)試樣品的 SECM 與 XPS 圖像疊加校準(zhǔn)，建立了兩種儀器的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，無(wú)需在樣品表面制造劃痕等標(biāo)記，即可實(shí)現(xiàn)微米尺度下特定區(qū)域的精準(zhǔn)定位表征；

功能與組成同步解析：SECM 負(fù)責(zé)探測(cè)局部電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，反映 SEI 層的阻擋性能；XPS 則分析對(duì)應(yīng)區(qū)域的化學(xué)組成，兩者分辨率均達(dá)到微米級(jí)別，實(shí)現(xiàn) "性能 - 成分" 的直接關(guān)聯(lián)。

實(shí)驗(yàn)步驟

關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)解析

實(shí)驗(yàn)體系：以高比容量（3860 mA?h?g?1）但循環(huán)穩(wěn)定性差的鋰金屬為研究電極，電解質(zhì)采用 LiTFSI / 二甘醇二甲醚體系，添加 DBDMB 作為 SECM 測(cè)試介質(zhì)；

測(cè)試流程：先通過(guò) SECM 在反饋模式下獲取電極表面局部電子轉(zhuǎn)移速率分布，再將樣品惰性轉(zhuǎn)移至 XPS 儀器，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行小面積高分辨能譜分析，還可將樣品返回 SECM 池進(jìn)行循環(huán)后二次表征；

核心發(fā)現(xiàn)：

o 開(kāi)路電壓儲(chǔ)存期間，SEI 層的電子阻擋性能分兩個(gè)動(dòng)力學(xué)階段提升，初期 4 小時(shí)內(nèi)快速優(yōu)化，隨后 70 小時(shí)內(nèi)緩慢趨于穩(wěn)定；

o 循環(huán)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致 SEI 層電子阻擋能力暫時(shí)顯著下降，且局部電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)差異增大；

o SEI 層中脂肪族碳含量高、氧化態(tài)碳成分低的區(qū)域，電子阻擋性能更優(yōu)異。

研究意義：

為電池技術(shù)升級(jí)提供新范式

這項(xiàng)研究不僅解答了 SEI 層功能與組成的關(guān)聯(lián)難題，更帶來(lái)了多重學(xué)術(shù)與應(yīng)用價(jià)值：

科學(xué)價(jià)值：在微米尺度下建立了 SEI 層局部電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)與化學(xué)組成的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證了 SEI 層 "動(dòng)態(tài)演化" 特性，完善了 SEI 層結(jié)構(gòu) - 功能理論；

技術(shù)價(jià)值：開(kāi)發(fā)的多技術(shù)聯(lián)用表征平臺(tái)，可推廣至碳、硅等其他負(fù)極材料的 SEI 層研究，也為拉曼光譜等其他局部表征技術(shù)的聯(lián)用提供了參考；

應(yīng)用價(jià)值：為電解質(zhì)添加劑篩選、電極表面改性等技術(shù)優(yōu)化提供了精準(zhǔn)指導(dǎo)，有助于開(kāi)發(fā)循環(huán)壽命更長(zhǎng)、安全性更高的鋰金屬電池與下一代高能量密度儲(chǔ)能器件。

未來(lái)，隨著該表征技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，有望實(shí)現(xiàn) SEI 層動(dòng)態(tài)演化的實(shí)時(shí)追蹤，為電池界面工程提供更全面的科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)向更高性能、更長(zhǎng)壽命邁進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

1. Scanning Electrochemical Microscopy of Single-Crystal Platinum, Electrode Donald C. Janda, George W. Fritze, Ryan D. Tate, William Strang, Nagahiro Hoshi,and Shigeru Amemiya,

   Anal. Chem. 2026, XXX, XXX?XXX