包裹在溶剂和负离子中的锂离子状态的可视化！

-锂离子电池用电解质固液界面的溶剂化结构的可视化

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摘要：研究小组通过原子力显微镜（AFM），成功实现了对锂离子电池中使用的锂离子（正离子）被电解质中的溶剂和负离子包裹的状态（溶剂化结构）的可视化。在分子尺度上测量锂离子在电极（固体）和电解质（液体）界面（固液界面）的溶剂化结构和脱溶剂化的状态，有助于开发出高性能的锂离子电池。

关键词：锂离子电池、溶剂化结构、碳酸丙烯酯（PC）、LiTFSI、FM-AFM

概要

研究小组通过原子力显微镜（AFM），成功实现了对锂离子电池中使用的锂离子（正离子）被电解质中的溶剂和负离子包裹的状态（溶剂化结构）的可视化。

锂离子在电解质当中通过溶剂分子形成什么样的溶剂化结构，锂离子在电极表面时溶剂化是否能削弱（脱溶剂化）从而更易进入电极，这些状态决定了锂离子的性能。因此，如果能在分子尺度上测量锂离子在电极（固体）和电解质（液体）界面（固液界面）的溶剂化结构和脱溶剂化的状态，就能开发出高性能的锂离子电池。

本研究以碳酸丙烯酯（PC）作为溶剂溶解锂盐（双三氟甲基磺酰亚胺锂：LiTFSI）,并测量了电解质中的锂离子在带负电的云母基板表面附近会形成什么样的溶剂化结构。测量使用了具有极高测力灵敏度的调频原子力显微镜（FM-AFM）。调频原子力显微镜可以通过探针所连接的悬臂的共振频移的距离依赖性（频移曲线），定量求取溶剂化力的分布。首先，在不含LiTFSI的PC当中测量云母基板表面附近的二维力分布，结果在基板表面附近以大约0.5nm的间隔检测到明亮的条纹（图1a）。从基板表面测出PC分子尺寸约为0.5nm，表明PC分子在基板表面形成了均匀的层状结构（图1b）。接下来，在含有0.8M（每1升0.8摩尔）LiTFSI的LiTFSI-PC溶液中进行了同样的测量，结果在距离基板表面约0.8nm处检测到明亮的条纹（图1c）。这表明锂离子被3到4个PC分子包围，形成了约0.8nm的溶剂化结构（图1d）。上述实验结果与分子动力学模拟的计算结果非常一致。此外，在3.6M的LiTFSI-PC溶液当中测量时，在距离基板表面约1.4纳米处检测到明亮的条纹（图1e）。这表明锂离子（Li+）被3到4个PC分子及负离子（TFSI-）所包围，形成一个更大的溶剂化结构（图1f）。

本研究建立了一种对固液界面上的电解质溶剂化结构进行可视化的方法。未来，研究小组还希望利用实际锂离子电池中所使用的溶剂和电极，在分子尺度上测量实际锂离子电池中的溶剂化结构和脱溶剂化的状态，以了解充放电的基本过程，助力开发高性能锂离子电池。

图1 云母表面附近由FM-AFM测出的频移图

[(a)PC (b)0.8M LiTFSI-PC溶液 (c)3M LiTFSI-PC溶液]，以及溶剂化结构的示意图[(d)PC (e)0.8M LiTFSI-PC溶液 (f)3M LiTFSI-PC溶液]。

翻译：王京徽

审校：李涵

通稿：李涵

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