物理研究所揭示锂电池中过渡金属离子串扰效应的新机制
过渡金属（TM）氧化物正极材料因其高能量密度、良好的倍率性能和较低的成本，被广泛应用于锂离子电池中。在电池循环过程中，TM离子从正极材料中溶解并进入电解液，随后通过电迁移被输送到负极区域，并沉积在负极表面的固态电解质界面膜（SEI膜）上，这一现象被称为串扰效应。此前的研究表明，这些离子可能会破坏SEI膜结构，甚至促使其重构，从而引发负极界面持续增长，进而导致电池容量逐渐下降，但其背后的机制尚不明确。因此，深入解析TM离子在电解液中的存在形态、在负极的沉积方式及其对SEI膜的组成影响，对于揭示其对SEI膜性质和电池整体性能的作用机制至关重要。
中国科学院物理研究所与北京凝聚态物理国家研究中心的研究团队近期借助冷冻电镜技术，系统研究了来自LiFePO4和含锰氧化物正极材料中的铁（Fe）和锰（Mn）离子的串扰行为，并识别出若干共性问题。研究发现，TM离子在进入电解液后，倾向于与溶剂分子形成类似“溶剂-TM”的配合结构，这种结构提升了电解液的还原电位，同时催化了电解液的双电子还原过程，促使TM离子以有机络合物形式嵌入SEI膜中。TM离子的存在显著增强了电解液的分解反应活性，引发更多的副反应并产生气体，破坏SEI膜的完整性，使电解液持续渗透到负极表面并发生进一步分解。
循环过程中，这种持续的界面副反应不断消耗活性锂离子，促使SEI膜以“自下而上”的方式持续生长。SEI膜的增厚也带来了电池极化程度的提升。研究还发现，TM离子的氧化态越高，其对电解液的催化能力越强，产气量越多，导致SEI膜的生长速率加快，从而加速电池性能的退化。
基于对TM离子在电池老化过程中作用机制的深入理解，研究团队提出了两条有效缓解其负面影响的策略。首先，选用与TM离子结合能较低的溶剂作为电解液组分，以削弱其相互作用；其次，在电池化成阶段构建具有优异电子绝缘性能的致密SEI膜，从而抑制溶剂化TM离子向负极的迁移，同时阻断其对电解液还原反应的催化。
这项研究不仅深化了对TM离子串扰效应影响SEI膜特性和电池性能的认识，也为提升锂离子电池的循环寿命提供了切实可行的技术路径。
相关成果已发表在《先进材料》（Advanced Materials）和《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊上。研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金及中国科学院相关项目的经费支持。