研究要點

在鋰離子電池、鋰金屬電池等儲能器件中，固體電解質界面（SEI）層堪稱 "隱形守護者"—— 它由電解質組分還原分解形成，既要允許鋰離子快速傳輸，又要阻斷電極與電解質間的無效電子轉移，直接決定電池的循環穩定性、倍率性能與安全性。然而，SEI層是動態演化的納米尺度異質結構，其局部功能與化學組成的關聯一直是電池領域的研究難點。近日，《Chemistry of Materials》發表的一項創新研究，通過掃描電化學顯微鏡（SECM）與X 射線光電子能譜（XPS）的原位聯用技術，成功破解了這一難題。

研究背景：

SEI 層的 "神秘面紗"

難以揭開

理想的SEI 層應具備"離子導通、電子阻擋" 的核心特性，

但實際情況更為復雜：

• SEI 層厚度僅10到數百納米，且在平行和垂直于電極表面方向均存在異質性，靠近電極側以無機化合物為主，靠近電解質側以有機化合物為主；

• 作為動態系統，SEI 層的組成易受外界環境影響，轉移至分析儀器過程中可能發生物質脫附、真空蒸發或化學反應；

• 傳統表征技術難以同時獲取 SEI 層的局部電化學性能與化學組成信息，無法建立功能與結構的直接關聯。

這些挑戰嚴重制約了高性能電池電解質配方優化與電極界面調控技術的發展。

實驗創新：

SECM+XPS "強強聯合"

實現精準表征

這項研究的核心突破在于建立了一套 "同位置、無損傷、惰性轉移" 的表征體系，讓 SEI 層的動態演化過程無所遁形：

創新樣品轉移設計：特制樣品架可實現電極在 SECM 電解池內的循環測試，且能在氬氣手套箱保護下，將樣品無損轉移至 XPS 儀器，全程避免空氣與水分干擾；

坐標校準精準定位：通過測試樣品的 SECM 與 XPS 圖像疊加校準，建立了兩種儀器的坐標轉換模型，無需在樣品表面制造劃痕等標記，即可實現微米尺度下特定區域的精準定位表征；

功能與組成同步解析：SECM 負責探測局部電子轉移動力學，反映 SEI 層的阻擋性能；XPS 則分析對應區域的化學組成，兩者分辨率均達到微米級別，實現 "性能 - 成分" 的直接關聯。

實驗步驟

關鍵技術細節解析

實驗體系：以高比容量（3860 mA?h?g?1）但循環穩定性差的鋰金屬為研究電極，電解質采用 LiTFSI / 二甘醇二甲醚體系，添加 DBDMB 作為 SECM 測試介質；

測試流程：先通過 SECM 在反饋模式下獲取電極表面局部電子轉移速率分布，再將樣品惰性轉移至 XPS 儀器，對關鍵區域進行小面積高分辨能譜分析，還可將樣品返回 SECM 池進行循環后二次表征；

核心發現：

o 開路電壓儲存期間，SEI 層的電子阻擋性能分兩個動力學階段提升，初期 4 小時內快速優化，隨后 70 小時內緩慢趨于穩定；

o 循環過程會導致 SEI 層電子阻擋能力暫時顯著下降，且局部電子轉移動力學差異增大；

o SEI 層中脂肪族碳含量高、氧化態碳成分低的區域，電子阻擋性能更優異。

研究意義：

為電池技術升級提供新范式

這項研究不僅解答了 SEI 層功能與組成的關聯難題，更帶來了多重學術與應用價值：

科學價值：在微米尺度下建立了 SEI 層局部電子轉移動力學與化學組成的直接對應關系，驗證了 SEI 層 "動態演化" 特性，完善了 SEI 層結構 - 功能理論；

技術價值：開發的多技術聯用表征平臺，可推廣至碳、硅等其他負極材料的 SEI 層研究，也為拉曼光譜等其他局部表征技術的聯用提供了參考；

應用價值：為電解質添加劑篩選、電極表面改性等技術優化提供了精準指導，有助于開發循環壽命更長、安全性更高的鋰金屬電池與下一代高能量密度儲能器件。

未來，隨著該表征技術的進一步優化，有望實現 SEI 層動態演化的實時追蹤，為電池界面工程提供更全面的科學依據，推動儲能技術向更高性能、更長壽命邁進。

參考文獻

1. Scanning Electrochemical Microscopy of Single-Crystal Platinum, Electrode Donald C. Janda, George W. Fritze, Ryan D. Tate, William Strang, Nagahiro Hoshi,and Shigeru Amemiya,

   Anal. Chem. 2026, XXX, XXX?XXX