摘要：一款理想的电池需要什么？无疑是快充、超大容量、轻薄体积以及长久寿命。但要精准提升这些性能，必须深入电池内部，理解其构造与奥秘。在锂电池的核心区域，有一层至关重要的“保护膜”，对其真实面貌的探索和理解仍是前沿课题。

一款理想的电池需要什么？无疑是快充、超大容量、轻薄体积以及长久寿命。但要精准提升这些性能，必须深入电池内部，理解其构造与奥秘。在锂电池的核心区域，有一层至关重要的“保护膜”，对其真实面貌的探索和理解仍是前沿课题。

9月10日，西湖大学工学院的向宇轩课题组与朱一舟课题组合作，在该领域取得了突破性进展，论文Probing the heterogeneous nature of LiF in solid–electrolyte interphases（探测固态电解质界面中氟化锂的异质性本质）发表在Nature上。这项研究揭示了一个颠覆传统的发现：电池负极“保护膜”中的一种关键物质——氟化锂（LiF），并非人们长期认为的纯净物。

这一发现不仅刷新了人们对电极界面构成的认知，为高性能电池中锂离子的高效传输机制提供了全新解释，更重要的是，为未来设计更高性能的电池电解液和界面材料指明了关键方向。

神秘的“保护膜”：电池性能的守护者

锂离子电池的基本结构，主要由三部分组成：正极、负极，以及介于两者之间、允许锂离子穿梭的电解质（通常是液态的电解液）。而电极与电解质之间的界面，是众多化学反应和物理过程发生的“前沿阵地”。

早在几十年前，科学家们就发现，在电池充电时，电解液会在负极表面发生反应，形成一层极薄的薄膜，被称为“固态电解质界面层”。这层最初被认为是“副产品”的薄膜，后来被证实是电池稳定工作的关键。它能像一道智能屏障，既允许锂离子顺利通过，又能有效抑制电解液的持续分解，从而大幅提升电池的循环寿命和安全性。

然而，这层膜极其特殊。它厚度极薄，仅相当于头发丝直径的千分之一到万分之一，成分复杂、结构敏感，在空气中会与水氧反应，甚至在高能电子显微镜的照射下也会分解。这些特性使得直接观测和研究它变得异常困难。“人人都知道它重要，但至今无人能精确说出它的组成和微观结构。”

关键的LiF与未解的“悖论”

在这层复杂的界面膜中，氟化锂（LiF）被认为是一个“明星”成分。过去40年的研究表明，LiF的存在对电池性能至关重要。因此，含氟的锂盐、溶剂和添加剂被广泛添加到商用电池的电解液中，目的就是在电极表面刻意构建一层富含LiF的保护层，以提升电池表现。

但一个巨大的“悖论”始终困扰着科学家：当LiF以纯净的块体形式存在时，它的离子电导率极低，意味着锂离子在其中几乎“寸步难行”。这显然与它在电池中扮演的“离子传输助手”角色相矛盾。近年来，有推测认为纳米尺度的LiF可能具有独特结构，但一直缺乏直接证据。

“多看一眼”带来的突破

2022年，刚加入西湖大学的向宇轩教授在利用固态核磁共振技术分析电池中的LiF时，敏锐地捕捉到了一个异常信号。在核磁谱图上，代表LiF的峰形旁边，有一个微小的、“鼓包”状的异常信号，这与理想纯净LiF样品的谱图并不完全匹配。

科研的突破往往始于对细微异常的执着。向宇轩决定调整研究方向，从原本探究LiF“有多少”，转向追问它“到底是什么”。

他们运用了先进的“多核、多维固态核磁共振技术”对界面膜中的氟原子和锂原子进行“精密切诊”。这就像给电池做了一次高精度的“CT扫描”，能够无损地探测原子间的种类、化学环境和连接关系。

他们发现了什么？

当检测氟原子时，那个看似单一的“峰”实际上是由两个不同的信号叠加而成。一个来自已知的LiF，另一个则从未被报道过，这很可能是其它原子混入了LiF的结构。

对锂原子的检测以及锂-氟关联的分析进一步推测，那个混入的“第三者”很可能是氢原子。

为了证实猜想，团队与复旦大学储氢专家宋云合作，合成了一系列掺入不同比例氢的Li-H-F样品。再次进行核磁检测时，那个神秘的信号果然出现了！它正来自于氢含量较高的Li-H-F固溶体。

至此，研究团队首次确凿地揭示：电池中形成的LiF并非纯净物，而是一种由锂、氟、氢三种原子在纳米尺度上共同构成的固溶体结构。这一结论后续也得到了同步辐射X射线衍射和冷冻电子显微镜实验的支持。

结构决定功能：计算模拟揭示性能之源

发现新结构固然重要，但更重要的是理解它如何工作。这时，西湖大学朱一舟的计算材料学团队发挥了关键作用。

他们通过“第一性原理计算”模拟了锂离子在纯LiF和含氢的Li-H-F环境中的迁移过程。计算结果清晰地显示：在富含氢的环境中，锂离子移动所需的能量壁垒显著降低。这意味着，氢的掺入为锂离子的快速传输开辟了“高速公路”，完美解释了为何实际电池中“不纯”的LiF能表现出卓越的离子传导性能，破解了长久以来的悖论。

进一步的实验证明，这种Li-H-F成分在多种主流的高性能锂电池电解液体系中普遍存在。尤其是在代表未来方向的锂金属电池测试中，富含氢的LiF环境确实能让电池负极表现更加稳定和高效。

这一突破，从根本上改变了对电池核心界面的理解，为未来电池技术的研究与发展打开了新的大门。

知道了高性能电池的界面保护层中LiF的真实形态是锂-氟-氢固溶体，就能有的放矢地设计电解液配方和添加剂，主动在电极表面构建更多、更稳定的这种特殊结构，从而理性地设计出充电更快、寿命更长、能量密度更高的下一代电池。

审核：西湖大学 向宇轩

论文信息

发布期刊 Nature

发布时间2025年9月10日

论文标题

Probing the heterogeneous nature of LiF in solid–electrolyte interphases

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09498-7）

来源：我是科学家iScientist