完成单位：中国科学院化学研究所

完成人：文锐，郎双雁，施杨，万立骏

成果简介：

 锂电池的充放电反应集中在电极/电解质界面，其界面特性与电化学性能具有紧密相关性，实现界面过程的多尺度原位追踪对于理解反应机制具有重要意义。 然而锂电池运行环境的复杂体系中原位成像难度大，涉及界面反应过程的微观机制并不清晰，因此，大力发展针对复杂体系下表界面表征的高分辨原位成像分析技术是能源材料与器件领域的迫切需求。针对能源体系中电极过程的复杂性，本项目发展了基于电化学扫描探针显微镜、共聚焦微分干涉显微镜-拉曼光谱联用光学系统的先进表界面原位表征技术，成功应用于高比能锂电池（诸如锂硫电池、锂氧电池以及固态金属锂电池）充放电过程中电极/电解质界面结构与组分动态演化规律的研究。近三年来，相关结果在Nat. Commun. (1篇)，J. Am. Chem. Soc. (2篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (3篇)，Energ. Environ. Sci. (1篇)等国际权威学术杂志发表，获得授权中国发明专利1项，申请中国发明专利1项。

创新点及科学价值：

（1）成功实现了锂氧电池中电极/电解液/氧气三相界面的原位原子力显微镜（AFM）成像，依据充放电过程中过氧化锂成核电位、反应位点、反应路径和反应速率直观揭示了可溶性催化剂的表面作用机制；

（2）通过充放电过程中锂硫电池界面过程在纳米尺度上的原位AFM监测，理解了放电产物过硫化锂/硫化锂的成核、生长、转化及分解行为的演化规律，并揭示了锂盐对硫化锂的沉积形貌以及分解路径的重要调控作用；

（3）成功捕获了纳米尺度上固体电解质界面（SEI）膜的初始成核、逐步生长与成膜的系列演化过程，阐明了电解液添加剂以及不同阴离子对SEI膜的生长模式、界面特性及其与电池性能相关性的影响，定量研究了SEI在循环过程中的演化过程；

（4）成功实现了硫碳复合正极-固态电解质-金属锂负极的全固态电池体系在充放电过程中动态演变的光学成像监测，揭示了多硫化物穿梭、电解质的不可逆形变以及锂膨胀是导致电池失效的主要原因。

社会经济效益：

 本成果为能源体系中复杂电极过程的原位表界面分析提供了重要的测试与表征方法，为深入理解高比能锂电池的界面反应微观机制提供了分析手段和实验依据，也为电极材料和电解质的设计和优化提供了思路和指导。

应用前景：

 本成果针对锂电池界面成像特点发展的原位表征技术以及设计的原位成像电化学池具有原位检测、空间分辨率高、扫速快、制样及操作简便、可实施性高、样品无损伤等优势，未来在电池器件的原位检测和失效分析方面具有重要应用前景。