物理研究所揭示锂电池中过渡金属离子串扰效应的机制
过渡金属氧化物正极材料因具备高能量密度、优良倍率性能及较低成本等优势，成为锂离子电池中广泛采用的组件。然而，在电池的反复充放电过程中，过渡金属离子（TM）会从正极材料中溶解进入电解液，并随电迁移作用移至负极区域，在负极表面的固态电解质界面膜（SEI膜）上沉积，这一现象被称为串扰效应。已有研究表明，过渡金属离子可能干扰并重塑SEI膜结构，从而诱发界面持续演化，最终导致电池容量下降。目前，关于这一过程的具体机制仍存在较大争议。因此，深入研究过渡金属离子在电解液中的存在形态、其在负极侧的沉积特征以及如何推动SEI膜增厚，对于理解串扰效应对SEI膜性质及其对电池整体性能的影响具有重要意义。
近日，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，借助冷冻电子显微镜技术，深入解析了来自LiFePO4正极的Fe离子和来自含Mn氧化物正极的Mn离子的串扰行为，并发现了一些普遍性规律。研究显示，过渡金属离子在进入电解液后，倾向于与溶剂分子结合，形成类似“溶剂-TM”结构，这不仅提升了电解液的还原电位，还催化其发生双电子还原反应，促使过渡金属离子以有机络合物的形式嵌入SEI膜中。这种催化行为加速了电解液的分解反应，引发更多副产物的生成及气体释放，削弱SEI膜的结构完整性，使电解液进一步渗透至负极表面并持续分解。
在电池循环过程中，这类持续发生的界面副反应不断消耗活性锂离子，促使SEI膜呈现出“自下而上”的生长模式，导致膜层不断增厚，进而增加电池内部极化效应。此外，研究还发现，过渡金属离子的价态越高，其对电解液分解的催化作用越强，产生的气体越多，从而加剧SEI膜的快速生长，加速电池性能的退化。
基于对过渡金属离子在电池退化过程中作用机制的深入理解，研究团队提出了两种可能的抑制策略：其一是选择与过渡金属离子结合能力较弱的溶剂作为电解液组分，以减少其迁移与沉积；其二是在电池化成阶段构建具有优异电子绝缘性能的致密SEI膜，从而有效抑制过渡金属离子的扩散路径，并阻断其对电解液还原反应的催化作用。
这项研究进一步拓展了对过渡金属串扰效应如何影响SEI膜特性及其对锂离子电池性能影响的认知，为提升电池的循环稳定性与寿命提供了重要的理论依据与工程指导。
相关成果已分别发表于《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资助。