几十年来，科学家们一直认为充电电池内部电极上不可避免的薄膜状堆积是性能下降的驱动因素。现在，我们知道这种观点是错误的。电池电极上堆积的苔藓状或树状结构的锂金属沉积物并不是性能下降的根本原因，而是一种副作用。

今天（9 月 28 日），《自然-能源》（Nature Energy）杂志报道了首次直接测量充电电池内部固体电极和液体电解质边界电特性的研究。

这项由美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）研究小组领导的研究表明，所谓的固体电解质相间层（SEI）并不像以前认为的那样是一种电子绝缘体，而是表现得像一种半导体。这项研究解开了电池运行过程中 SEI 如何发挥电气功能这一长期未解之谜。

电池研究科学家徐耀斌将样品放入透射电子显微镜中，检查充电电池的功能。图片来源：Andrea Starr | 太平洋西北国家实验室

液态电解质通常被称为工作电池的"血液供应"，通过调整液态电解质的物理和电化学特性，这些发现对设计更长寿命的电池具有直接影响。PNNL 实验室研究员、电池技术专家王崇民（Chongmin Wang）是这项研究的共同负责人。

研究人员的研究重点是这层比纸巾还薄的 SEI 层，因为它在电池性能中发挥着巨大的作用。在放电过程中，这层膜状镶嵌层有选择性地允许带电的锂离子穿过，并控制电子的移动，从而为电池供电。

当电池是新电池时，SEI 会在第一个充电周期形成，并在电池的预期使用寿命内保持稳定。但观察老化的充电电池内部，往往会发现负极上有大量固态锂堆积。电池研究人员认为，这种积聚造成了性能损失。造成这种猜测的部分原因是无法进行测量来检验因果关系。

原位透射电子显微镜使研究人员能够直接观察电池材料在原子和纳米尺度上的演变过程，从而深入了解可充电电池的功能。图片来源：Andrea Starr | 太平洋西北国家实验室

Wang与该研究的共同负责人、PNNL电池材料与系统组的材料科学家Wu Xu，共同第一作者Yaobin Xu和Hao Jia，以及他们在PNNL、德克萨斯农工大学和劳伦斯伯克利国家实验室的同事一起，通过开发一种新技术来直接测量实验系统中跨SEI的电传导，从而解决了这一问题。研究小组将透射电子显微镜与显微镜内微加工金属针的纳米级操作相结合。然后，研究人员用四种不同类型的电解质测量了在铜或锂金属上形成的 SEI 层的电气特性。

研究小组的测量结果表明，随着电池电压的升高，SEI层在所有情况下都会泄漏电子，使其成为半导电层。

研究结果表明含碳分子会泄漏电子，缩短电池寿命，他们记录到这种以前从未直接观察到的类似半导体的行为后希望了解化学性质复杂的 SEI 的哪些成分造成了电子泄漏。

Xu说："我们发现，SEI层中的含碳有机成分容易导致电子泄漏。尽量减少 SEI 中的有机成分将延长电池的使用寿命。即使通过SEI的传导率发生微小变化，也会导致效率和电池循环稳定性的巨大差异。"