研究要点

在锂离子电池、锂金属电池等储能器件中，固体电解质界面（SEI）层堪称 "隐形守护者"—— 它由电解质组分还原分解形成，既要允许锂离子快速传输，又要阻断电极与电解质间的无效电子转移，直接决定电池的循环稳定性、倍率性能与安全性。然而，SEI层是动态演化的纳米尺度异质结构，其局部功能与化学组成的关联一直是电池领域的研究难点。近日，《Chemistry of Materials》发表的一项创新研究，通过扫描电化学显微镜（SECM）与X 射线光电子能谱（XPS）的原位联用技术，成功破解了这一难题。

研究背景：

SEI 层的 "神秘面纱" 

难以揭开

理想的SEI 层应具备"离子导通、电子阻挡" 的核心特性，

但实际情况更为复杂：

• SEI 层厚度仅10到数百纳米，且在平行和垂直于电极表面方向均存在异质性，靠近电极侧以无机化合物为主，靠近电解质侧以有机化合物为主；

• 作为动态系统，SEI 层的组成易受外界环境影响，转移至分析仪器过程中可能发生物质脱附、真空蒸发或化学反应；

• 传统表征技术难以同时获取 SEI 层的局部电化学性能与化学组成信息，无法建立功能与结构的直接关联。

这些挑战严重制约了高性能电池电解质配方优化与电极界面调控技术的发展。

实验创新：

SECM+XPS "强强联合"

实现精准表征

这项研究的核心突破在于建立了一套 "同位置、无损伤、惰性转移" 的表征体系，让 SEI 层的动态演化过程无所遁形：

创新样品转移设计：特制样品架可实现电极在 SECM 电解池内的循环测试，且能在氩气手套箱保护下，将样品无损转移至 XPS 仪器，全程避免空气与水分干扰；

坐标校准精准定位：通过测试样品的 SECM 与 XPS 图像叠加校准，建立了两种仪器的坐标转换模型，无需在样品表面制造划痕等标记，即可实现微米尺度下特定区域的精准定位表征；

功能与组成同步解析：SECM 负责探测局部电子转移动力学，反映 SEI 层的阻挡性能；XPS 则分析对应区域的化学组成，两者分辨率均达到微米级别，实现 "性能 - 成分" 的直接关联。

实验步骤

关键技术细节解析

 实验体系：以高比容量（3860 mA・h・g⁻¹）但循环稳定性差的锂金属为研究电极，电解质采用 LiTFSI / 二甘醇二甲醚体系，添加 DBDMB 作为 SECM 测试介质；

测试流程：先通过 SECM 在反馈模式下获取电极表面局部电子转移速率分布，再将样品惰性转移至 XPS 仪器，对关键区域进行小面积高分辨能谱分析，还可将样品返回 SECM 池进行循环后二次表征；

核心发现：

o 开路电压储存期间，SEI 层的电子阻挡性能分两个动力学阶段提升，初期 4 小时内快速优化，随后 70 小时内缓慢趋于稳定；

o 循环过程会导致 SEI 层电子阻挡能力暂时显著下降，且局部电子转移动力学差异增大；

o SEI 层中脂肪族碳含量高、氧化态碳成分低的区域，电子阻挡性能更优异。

研究意义：

为电池技术升级提供新范式

这项研究不仅解答了 SEI 层功能与组成的关联难题，更带来了多重学术与应用价值：

科学价值：首次在微米尺度下建立了 SEI 层局部电子转移动力学与化学组成的直接对应关系，验证了 SEI 层 "动态演化" 特性，完善了 SEI 层结构 - 功能理论；

技术价值：开发的多技术联用表征平台，可推广至碳、硅等其他负极材料的 SEI 层研究，也为拉曼光谱等其他局部表征技术的联用提供了参考；

应用价值：为电解质添加剂筛选、电极表面改性等技术优化提供了精准指导，有助于开发循环寿命更长、安全性更高的锂金属电池与下一代高能量密度储能器件。

未来，随着该表征技术的进一步优化，有望实现 SEI 层动态演化的实时追踪，为电池界面工程提供更全面的科学依据，推动储能技术向更高性能、更长寿命迈进。

参考文献

1. Correlating Evolving Local Function and Composition of Solid Electrolyte Interphases by Scanning Electrochemical Microscopy and X‑ray Photoelectron Spectroscopy， Marius Muhle, Carsten Dosche, Gunther Wittstock, Chem. Mater. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5c02473