金属电池负极SEI(solid electrolyte interphase，固体电解质界面相)是电池内部传输离子、阻隔电子的重要界面层, 其性质以及稳定性直接影响着电池性能。尽管现有研究报道充分证明了金属氢化物(氢化锂、氢化钠)是SEI的重要组成部分，但是作为近些年才被发现的无机组分，针对SEI中高含量金属氢化物的离子传输机制、自身稳定性，尤其是其与电池性能的偶联关系仍鲜少被深入探究。
青岛能源所崔光磊研究员带领的固态能源系统技术中心自2021年至今持续致力于探究SEI中金属氢化物的相关性质。早在2021年研究团队便首次发现了锂金属负极粉化失效(Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60,7770– 7776 )以及电池热失控和氢化锂存在密切关联(Adv. Sci. 2021,8,2100676)，此后两年内持续推进相关研究，探究了氢化锂在与锗负极失效(Angew. Chem. Int. Ed. 2023,62,e202306141)、钠金属负极中氢化钠导致的钠金属电池失效等相关耦连机制(Energy Storage Materials61 (2023) 102891)。近日，研究中心联合燕山大学以及大连化物所，继续深入开展了系列关于锂金属电池SEI中氢化锂相关的先进研究。
针对现阶段高比容量硅负极面临严重粉化失效威胁的现状，相比“电化学锂化导致硅粉化失效”的传统认知，研究首次报道了SEI中氢化锂含量与硅粉化失效的强关联，研究证明高氢化锂对应严重粉化的原因是硅负极SEI中的氢化锂会在硅脱锂时反向锂化硅。与硅的电化学锂化不同的是，氢化锂对硅的局域锂化是不均匀的，极易诱发硅颗粒的应力分布不均匀，进而加速硅的粉化失效(图1)。
图1 氢化锂逆向锂化硅导致其应力分布不均匀示意图
此外，研究团队还通过设计同位素交换实验结合示踪实验，联用先进的TOF-SIMS技术，首次深入揭示了SEI中氢化锂相关离子传输机制。相比氧化锂的体相传输、氟化锂的表面传输等传统SEI无机组分，氢化锂的传输机制表现出独特的电化学分解特性(图2)。
图2 SEI中关键无机组分锂离子传导机制示意图
基于对氢化锂电化学不稳定性的揭示，研究明确提出了未来SEI的设计原则：高氧化锂或氟化锂含量，尽可能低的氢化锂含量。相关成果近期发表于Angewandte Chemie International Edition和Advanced Materials。该研究得到了科技部重点专项、国家自然科学基金、山东省泰山学者以及国家资助博士后研究人员计划等的资助。(文/图 孙金燃)
