幾十年來，科學家一直認為充電電池內部電極上不可避免的薄膜狀堆積是效能下降的驅動因素。現在，我們知道這種觀點是錯的。電池電極上堆積的苔蘚狀或樹狀結構的鋰金屬沉積物並不是性能下降的根本原因，而是副作用。

今天（9 月28 日），《自然-能源》（Nature Energy）雜誌報導了首次直接測量充電電池內部固體電極和液態電解質邊界電特性的研究。

這項由美國能源部西北太平洋國家實驗室（PNNL）研究小組領導的研究表明，所謂的固體電解質相間層（SEI）並不像以前認為的那樣是一種電子絕緣體，而是表現得像一種半導體。這項研究解開了電池運作過程中SEI 如何發揮電氣功能這一長期未解之謎。

電池研究科學家徐耀斌將樣品放入透射電子顯微鏡中，檢視充電電池的功能。圖片來源：Andrea Starr | 太平洋西北國家實驗室

液態電解質通常被稱為工作電池的”血液供應”，透過調整液態電解質的物理和電化學特性，這些發現對設計更長壽命的電池具有直接影響。PNNL 實驗室研究員、電池技術專家王崇民（Chongmin Wang）是這項研究的共同負責人。

研究人員的研究重點是這層比紙巾還薄的SEI 層，因為它在電池性能中發揮著巨大的作用。在放電過程中，這層膜狀鑲嵌層有選擇性地允許帶電的鋰離子穿過，並控制電子的移動，從而為電池供電。

當電池是新電池時，SEI 會在第一個充電週期形成，並在電池的預期使用壽命內保持穩定。但觀察老化的充電電池內部，往往會發現負極上有大量固態鋰堆積。電池研究人員認為，這種積聚造成了性能損失。造成這種猜測的部分原因是無法進行測量來檢驗因果關係。

原位透射電子顯微鏡使研究人員能夠直接觀察電池材料在原子和奈米尺度上的演變過程，從而深入了解可充電電池的功能。圖片來源：Andrea Starr | 太平洋西北國家實驗室

Wang與該研究的共同負責人、PNNL電池材料與系統組的材料科學家Wu Xu，共同第一作者Yaobin Xu和Hao Jia，以及他們在PNNL、德克薩斯農工大學和勞倫斯伯克利國家實驗室的同事一起，透過開發一種新技術來直接測量實驗系統中跨SEI的電傳導，從而解決了這個問題。研究團隊將透射電子顯微鏡與顯微鏡內微加工金屬針的奈米級操作結合。然後，研究人員用四種不同類型的電解質測量了在銅或鋰金屬上形成的SEI 層的電氣特性。

研究小組的測量結果表明，隨著電池電壓的升高，SEI層在所有情況下都會洩漏電子，使其成為半導電層。

研究結果顯示含碳分子會洩漏電子，縮短電池壽命，他們記錄到這種以前從未直接觀察到的類似半導體的行為後希望了解化學性質複雜的SEI 的哪些成分造成了電子洩漏。

Xu說：”我們發現，SEI層中的含碳有機成分容易導致電子洩漏。盡量減少SEI 中的有機成分將延長電池的使用壽命。即使透過SEI的傳導率發生微小變化，也會導致效率和電池循環穩定性的巨大差異。”