研究發現鋰電池中過渡金屬離子串擾效應

過渡金屬（TM）氧化物正極具有能量密度高、倍率性能優異、成本低等特點，廣泛應用于鋰離子電池。然而，在循環過程中，過渡金屬離子從正極溶解進入電解液，隨后通過電遷移到達負極附近并沉積在負極顆粒表面的界面膜（SEI膜）上，這一過程稱為串擾效應。已有研究表明，過渡金屬離子可能破壞并重構負極SEI膜，引發負極界面持續增長，導致電池容量衰減，但潛在機制存在爭議。因此，明確過渡金屬離子在電解液中的存在方式，在負極側的沉積形式與在SEI膜中的組成，以及過渡金屬離子如何誘導SEI膜增長，對于理解串擾效應對SEI膜性質及鋰離子電池性能的影響至關重要。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究團隊，采用冷凍電鏡技術，剖析過渡金屬離子Fe（來自LiFePO4正極）和Mn（來自含Mn氧化物正極）的串擾效應，發現了一些共性問題。過渡金屬離子進入電解液后，優先與電解液中的溶劑配位形成類似“溶劑-TM”，提高了電解液還原電位，并催化電解液發生雙電子還原反應，使過渡金屬離子以有機絡合物形式沉積在SEI膜中。過渡金屬離子對電解液分解具有催化作用，導致更多副反應發生和額外氣體釋放，破壞SEI膜完整性，使得電解液不斷滲透至負極表面進而被分解。因此，在循環過程中，持續的界面副反應消耗活性鋰離子，致使SEI膜呈現出“自下而上”生長模式。同時，增厚引起電池極化增加。研究還證實，過渡金屬離子價態越高，對電解液的催化作用越顯著，產氣越多，導致SEI膜增長速度加快，使電池性能衰減越快。

團隊基于對過渡金屬離子在電池退化中作用機制的理解，提出兩個降低有害影響的策略。一是采用與過渡金屬離子結合能較低的溶劑作為電解液成分；二是在電池化成階段構建具有更優電子絕緣性的致密SEI膜，以抑制溶劑化過渡金屬離子向負極擴散，并阻斷其對電解液的催化還原反應。

上述研究更新了關于過渡金屬串擾對SEI性質和鋰離子電池性能的認知，為提高電池循環壽命提供了潛在策略。

相關研究成果分別發表在《先進材料》（Advanced Materials）和《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院相關項目等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202513736、https://doi.org/10.1002/aenm.202503489

過渡金屬離子串擾效應作用機制