研究要點

在鋰離子電池、鋰金屬電池等儲能器件中，固體電解質(zhì)界面（SEI）層堪稱 "隱形守護者"—— 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層是動態(tài)演化的納米尺度異質(zhì)結構，其局部功能與化學組成的關聯(lián)一直是電池領域的研究難點。近日，《Chemistry of Materials》發(fā)表的一項創(chuàng)新研究，通過掃描電化學顯微鏡（SECM）與X 射線光電子能譜（XPS）的原位聯(lián)用技術，成功破解了這一難題。

研究背景：

SEI 層的 "神秘面紗"

難以揭開

理想的SEI 層應具備"離子導通、電子阻擋" 的核心特性，

但實際情況更為復雜：

• 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)以無機化合物為主，靠近電解質(zhì)側(cè)以有機化合物為主；

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

• 傳統(tǒng)表征技術難以同時獲取 SEI 層的局部電化學性能與化學組成信息，無法建立功能與結構的直接關聯(lián)。

這些挑戰(zhàn)嚴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)控技術的發(fā)展。

實驗創(chuàng)新：

SECM+XPS "強強聯(lián)合"

實現(xiàn)精準表征

這項研究的核心突破在于建立了一套 "同位置、無損傷、惰性轉(zhuǎn)移" 的表征體系，讓 SEI 層的動態(tài)演化過程無所遁形：

創(chuàng)新樣品轉(zhuǎn)移設計：特制樣品架可實現(xiàn)電極在 SECM 電解池內(nèi)的循環(huán)測試，且能在氬氣手套箱保護下，將樣品無損轉(zhuǎn)移至 XPS 儀器，全程避免空氣與水分干擾；

坐標校準精準定位：通過測試樣品的 SECM 與 XPS 圖像疊加校準，建立了兩種儀器的坐標轉(zhuǎn)換模型，無需在樣品表面制造劃痕等標記，即可實現(xiàn)微米尺度下特定區(qū)域的精準定位表征；

功能與組成同步解析：SECM 負責探測局部電子轉(zhuǎn)移動力學，反映 SEI 層的阻擋性能；XPS 則分析對應區(qū)域的化學組成，兩者分辨率均達到微米級別，實現(xiàn) "性能 - 成分" 的直接關聯(lián)。

實驗步驟

關鍵技術細節(jié)解析

實驗體系：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 測試介質(zhì)；

測試流程：先通過 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，對關鍵區(qū)域進行小面積高分辨能譜分析，還可將樣品返回 SECM 池進行循環(huán)后二次表征；

核心發(fā)現(xiàn)：

o 開路電壓儲存期間，SEI 層的電子阻擋性能分兩個動力學階段提升，初期 4 小時內(nèi)快速優(yōu)化，隨后 70 小時內(nèi)緩慢趨于穩(wěn)定；

o 循環(huán)過程會導致 SEI 層電子阻擋能力暫時顯著下降，且局部電子轉(zhuǎn)移動力學差異增大；

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：

為電池技術升級提供新范式

這項研究不僅解答了 SEI 層功能與組成的關聯(lián)難題，更帶來了多重學術與應用價值：

科學價值：在微米尺度下建立了 SEI 層局部電子轉(zhuǎn)移動力學與化學組成的直接對應關系，驗證了 SEI 層 "動態(tài)演化" 特性，完善了 SEI 層結構 - 功能理論；

技術價值：開發(fā)的多技術聯(lián)用表征平臺，可推廣至碳、硅等其他負極材料的 SEI 層研究，也為拉曼光譜等其他局部表征技術的聯(lián)用提供了參考；

應用價值：為電解質(zhì)添加劑篩選、電極表面改性等技術優(yōu)化提供了精準指導，有助于開發(fā)循環(huán)壽命更長、安全性更高的鋰金屬電池與下一代高能量密度儲能器件。

未來，隨著該表征技術的進一步優(yōu)化，有望實現(xiàn) SEI 層動態(tài)演化的實時追蹤，為電池界面工程提供更全面的科學依據(jù)，推動儲能技術向更高性能、更長壽命邁進。

參考文獻

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