利用飞行时间二次离子质谱在分子水平筛选锂离子电池溶剂的研究

Lithium ion solvation and desolvation processes on the solid electrolyte interface (SEI) has a significant influence on the Lithium-ion battery performance during discharging and charging processes. These processes involve reconstruction of the solvated shell and fluctuation of the Lithium ion solvated species at the solid-liquid interface. Owing to the fact that the solvation states of solvated species changes with the reaction proceeding, the distribution of solvated species exhibits dynamic property, which makes it extremely difficult for the analysis of Lithium ion solvation and desolvation processes. Traditional interface analysis techniques could not meet the requirement for in situ and real time analysis of these complex interfacial reactions. Based on our previous work, the project aims to develop and fabricate high vacuum compatible electrochemical micro-fluidic device. Moreover, based on the in situ liquid ToF-SIMS, the solid-liquid interface analysis platform is built with high spatial, time and mass resolution. The influence from Lithium ion solvation and desolvation processes on the Lithium-ion battery performance is studied at the molecular level. It will help us reveal the direct relationship between the Lithium ion solvation and desolvation processes and the Lithium-ion battery performance and establish new method for screening of solvent in Lithium ion battery.

锂离子电池充放电过程中，固体电解质界面锂离子溶剂化和脱溶剂化过程对于电池的性能产生显著影响。该过程涉及离子溶剂化物种在固体电解质界面上溶剂化壳层结构的重整以及溶剂化分布的改变。由于界面处溶剂化物种随反应的进行表现出不同的溶剂化状态，其溶剂化物种分布呈现动态变化特性，传统界面分析技术难以实现该类界面反应过程的原位监测和分析。基于此，本项目拟设计和制备新型高真空适用性电化学微流控装置，利用原位液体ToF-SIMS分析方法，建立具备高时间、空间和质量分辨能力的固液界面原位分析系统，原位监测极化条件下固体电解质界面锂离子的溶剂化和脱溶剂化过程，获取反应过程中溶剂化物种的特征分布以及物质传递信息，从分子水平研究溶剂化过程对于电池性能的影响，揭示溶剂化过程与电池性能的直接联系，建立锂离子电池溶剂体系优化和筛选新方法。

电极溶液界面在能源转换过程中常伴随着复杂多相物质传递以及电荷转移过程，深入理解这些界面过程有助于揭示多相界面的演化、催化反应机理、提升能源转换效率。尤其在强极化条件下，电极溶液界面常伴随着气体析出和新物相的形成，而多相界面的演化能够引起异常的物质传递过程，溶剂化气体产物分子的聚集与主反应中电子传递互相竞争，能够抑制反应效率和降低能源存储和转换装置的使用寿命。同时电极界面气体的析出限制了高真空适用性装置在二次离子质谱高真空测试环境中的应用，而如何实现电极溶液界面反应过程的原位监测，有效获取气体反应产物的物质传递信息，揭示多相界面演化过程，并为界面反应的有效调控提供支撑，是推动质谱电化学联用技术发展的主要挑战。本项目拟通过自主设计和制备具有全内反射适用性以及温度场调节功能的电化学微流控装置，结合谱学联用技术获取强极化条件下高时空分辨的多相界面演化过程信息，并揭示气体析出在电极表面的多步扩散步骤，基于上述信息建立新的反应评价标识符和程序电位扫描方法，为析气反应过程的监测以及反应调控提供了新的思路。本项目系列研究成果为理解强极化条件下锂离子电池电极界面电解质分解导致的气体析出过程具有重要的理论指导意义，为后续二次离子质谱电化学研究奠定了基础。