鋰離子電池是通過鋰離子在含鋰過渡金屬氧化物和貧鋰石墨材料之間的嵌入和脫出實現(xiàn)能量的儲存和釋放。石墨材料之所以能實現(xiàn)在鋰離子電池中的應(yīng)用全靠電解液在石墨表面分解形成的離子可導(dǎo)、電子不導(dǎo)的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜。這層保護膜將還原穩(wěn)定性遠低于嵌鋰電位（0.01V）的電解液與石墨電極隔離，從而保證在嵌鋰電位下電解液不發(fā)生還原分解，使得鋰離子在石墨材料中可逆嵌脫。

　　如此重要的SEI膜是如何形成的？為什么有些電解液分解產(chǎn)物可以形成穩(wěn)定的SEI膜，而有些電解液卻會在高于嵌鋰的電位下持續(xù)發(fā)生還原分解，最終導(dǎo)致石墨層結(jié)構(gòu)坍塌？這種界面行為的差異最典型的應(yīng)該是鋰離子電池發(fā)展史上眾所周知的“碳酸丙烯酯（PC）和碳酸乙烯酯（EC）的差異”。PC在嵌鋰電位以先（～0.7V）發(fā)生持續(xù)的還原分解，最終使得石墨結(jié)構(gòu)坍塌，無法正常嵌脫鋰。而EC，其分子結(jié)構(gòu)僅比PC少一個甲基，卻在略高于0.7V電位下發(fā)生分解形成一層穩(wěn)定的SEI膜，從而抑制電解液在更低電位的分解，使得鋰離子可在石墨材料中正常地嵌入和脫出。

　　在過去的二十余年時間里，有部分的科學(xué)家嘗試去揭示PC和EC行為差異的原因，但至今沒有一種機理模型可以讓人完全信服。例如Zhuang等人提出，PC和EC的差異是由于PC在電極表面經(jīng)歷雙電子還原，直接生成Li2CO3和丙烯氣體，后者導(dǎo)致石墨層結(jié)構(gòu)破壞。而EC則經(jīng)歷單電子還原，形成碳酸酯聚合物。然而，這種機理卻無法解釋Xu等人在PC和EC還原反應(yīng)中均檢測到單電子還原產(chǎn)物碳酸酯低聚物的實驗結(jié)果。Tasaki則認為這種差異主要是由于PC在石墨層形成的共嵌物［Li（PC）n］＋結(jié)構(gòu)體積大于石墨層的層間距，從而撐開破壞石墨層。而EC體系形成的共嵌物體積小于石墨層層間距，所以不會導(dǎo)致石墨層的破壞。然而，這種機理無法解釋分子體積比PC大的溶劑分子界面行為卻與EC相似的實驗現(xiàn)象。

　　近日，來自華南師范大學(xué)的邢麗丹博士、李偉善教授與美國陸軍實驗室許康研究員（共同通訊作者）合作，在Acc．Chem．Res．上發(fā)表題為“DecipheringtheEthyleneCarbonate？PropyleneCarbonateMysteryinLi－IonBatteries”的研究論文。他們采用量子化學(xué)計算和實驗方法相結(jié)合，詳細研究了鋰離子電池電解液脫溶劑化過程及其與石墨界面相容性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鋰鹽陰離子PF6－是導(dǎo)致PC與EC界面行為差異的最根本原因。

　　當(dāng)石墨電極電壓下降時（發(fā)生嵌鋰反應(yīng)，即電池充電過程），溶劑化的鋰離子在電場作用下遷移到石墨負極表面。由于此時鋰離子溶劑化層體積遠大于石墨層層間距，因此在嵌入以前需要發(fā)生脫溶劑化。EC基體系鋰離子脫溶劑化層時優(yōu)先脫去EC分子，形成含PF6－的溶劑化層，PF6－參與隨后的還原分解，形成富含LiF的穩(wěn)定SEI膜。

　　然而，PC基體系的鋰離子脫溶劑化層時脫去PC分子和PF6－的概率相當(dāng)，因此參與還原分解的PF6－含量減少，導(dǎo)致形成的分解產(chǎn)物L(fēng)iF含量低。他們后續(xù)設(shè)計一系列的實驗證明，LiF含量低是導(dǎo)致PC基電解液分解產(chǎn)物無法形成致密穩(wěn)定SEI膜的根本原因。