硅基负极固态电解质界面膜的神秘生长与演变：科学家揭开了它们的奥秘

近日，北京大学深圳研究生院教授潘峰和副研究员杨卢奕带领的研究团队，以及中山大学、中国科学院物理所以及美国阿贡国家实验室等合作伙伴共同发表了一项重大成果，这次研究在《自然—通讯》上见报。经过四年的不懈努力，他们使用先进的离子-电子双束扫描电子显微镜技术成功捕捉到了不同循环状态下硅基颗粒及其表面的固态电解质界面膜（Solid electrolyte interphase , SEI）的三维结构，从而系统地揭示了SEI膜在氧亚硅颗粒表面如何形成、发展，并探讨了它对锂电池性能影响。

新一代锂电池负极材料主要是基于硅碳复合材料，其中包括微米级氧化亚硅和硅碳复合两大类。这两种材料对于其性能至关重要，其表现与SEI膜的生成及结构密切相关。传统观点认为石墨型负极上的SEI是一种绝缘层，但通过扫描电子显微镜，我们可以清晰地看到硅基型负极上“厚实”SEI层能够包裹住整个硅基颗粒并持续增长，使得其变得更加坚韧，对于理解如何厚度增加以及结构演变机制，学术界仍缺乏深入探究。

本次研究中，科学家们发现，在充放电过程中，SEI会以一种类似肺部呼吸运动模式进行收缩和扩张，并且从外向内逐渐增厚成为更为紧凑的一层，并最终形成分层结构。这可能意味着在“呼吸”过程中，导电网络中的导电性碳黑被包围起来，而这些连续接触则产生了“电子渗透效应”，保持着导通路径，因此我们推测SEI应该具备一定程度的导电能力。

为了验证这一假设，团队直接测量了SEI截面的面临率，以惊人的结果发现，它具有相对较高的conductivity，即使改变了之前学术界普遍认定作为绝缘体的地位。在了解到关于SEI厚膜生长机理后，该团队认为导致锂 电池失效的是当循环时，由于不断膨胀或收缩导致其体积增大，而随之不断分散导通性的碳黑引起接触减少，从而减弱渗透性，最终达到某个点时渗透途径断裂，使得整体导通网络崩溃。基于此失效机理，他们提出了一个策略来限制这个膨胀问题——采用限域构造方法来避免过多接触，同时施加横向压力限制自由增长。此结果有效降低了过载率以及厚度，同时提高了循环稳定性，为未来改善锂能储存技术提供了一线光明。相关论文可访问https://doi.org/10.1038/s41467-023-41867-6