MIT邵阳院士团队Cell Press Blue：多尺度原位界面光谱揭示锂金属电池中SEI的有机主导演化机制 | Cell Press对话科学家

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2026-01-28 17:02发布于北京CellPress细胞科学官方账号

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锂金属负极因其极高的理论比容量（3860 mAh g⁻¹），被普遍认为是突破现有锂离子电池能量密度上限的关键材料，有望在电动汽车、航空航天及大规模储能等高端应用中发挥重要作用。然而，在液态电解质体系中，锂金属负极长期面临库仑效率低、循环稳定性差的问题，其核心瓶颈在于锂表面形成的固态电解质界面（solid electrolyte interphase, SEI）难以在真实运行条件下实现稳定且有效的钝化。

理想的SEI应同时具备电子绝缘性与锂离子导电性，从而抑制电解液持续分解并维持可逆的锂沉积/剥离过程。基于大量非原位表征结果，学界长期形成了一种主流认知：富含LiF、Li₂O等无机成分的致密SEI被认为更稳定，是实现高库仑效率锂金属电池的关键。然而，这一判断主要建立在静态或事后分析的基础之上。SEI在真实电化学条件下的动态生成过程，尤其是有机组分在其中的作用，由于缺乏原位、实时、界面敏感的表征手段，始终未被清晰揭示。

在Cell Press细胞出版社旗下全新开放获取期刊Cell Press Blue创刊之际，2026年1月19日，麻省理工学院邵阳院士团队报道了一项系统性研究，题为“Revealing the lithium solid electrolyte interphase in liquid electrolytes via in situ Fourier transform infrared spectroscopy”。首次通过多尺度原位界面光谱，直接观测并解析了碳酸酯电解液中SEI的电位依赖形成过程及其关键组分的循环演化行为。研究颠覆了“无机SEI更优”的传统观点，明确提出并证实了以乙烯二碳酸锂（LEDC）为主导的柔性有机界面是实现高库仑效率（~90%）的关键。这一工作以方法学创新为核心，体现了Cell Press Blue对基础机制与实验范式并重的期刊定位。

原位表征策略：实现SEI动态形成的直接观测

为实现对SEI真实形成过程的动态解析，研究团队构建了一套原位表面增强傅里叶变换红外光谱（in situ surface-enhanced FTIR）电化学体系（图1）。该体系以沉积于红外晶体表面的超薄Cu层作为工作电极，实现了对锂沉积前后界面反应的高灵敏度红外探测，并可在电位扫描与恒电流循环条件下同步获取光谱与电化学信号。

在此基础上，研究进一步结合气相色谱（GC-BID/TCD）与电化学质谱（ECMS）解析电解液还原过程中生成的气体产物，通过¹³C同位素标记明确SEI关键物种的溶剂来源，并利用固态核磁共振（SSNMR）与X射线光电子能谱（XPS）解析SEI中无机组分的组成及其深度方向分布特征，最终通过扫描电子显微镜（SEM）将界面化学特征与锂沉积形貌及电化学性能建立关联。

图1. 实现电位与循环分辨SEI动态观测的原位FTIR电化学池设计

电解液依赖的SEI形成路径：气体产物揭示反应起点

研究首先通过GC-BID/TCD系统分析了不同碳酸酯电解液与锂反应过程中产生的气体产物（示意图1）。在1.2 M LiPF₆/EC电解液中，检测到乙烯（C₂H₄）为主导气体产物，表明EC倾向于经C–C键断裂还原生成LEDC与Li₂CO₃；而在1.0 M LiPF₆/EMC体系中，甲烷（CH₄）为主气体产物，指向EMC还原生成可溶性锂烷基碳酸盐（如LEC及相关烷基碳酸盐）的反应路径。在EC/EMC混合电解液LP57中，两类气体同时存在，但EC相关还原仍占主导地位。

这些结果为后续原位光谱解析SEI的电位依赖形成机制奠定了反应化学基础。

示意图1. EC与EMC在锂金属界面的代表性还原反应路径

EC体系：LEDC在锂沉积前即开始生成

在1.2 M LiPF₆/EC电解液中，原位FTIR光谱清晰显示，SEI的形成并非始于锂沉积，而是在锂沉积发生前（>0 V_Li）即已启动（图2）。随着电位降低，位于约1670 cm⁻¹与1130 cm⁻¹的特征峰持续增强，对应LEDC的逐步生成；而Li₂CO₃仅作为次要组分缓慢累积。¹³C同位素标记实验进一步证实，这些物种直接来源于EC分子本身。

在随后的循环过程中，LEDC在界面持续累积，其增长速率逐渐减缓，表明该有机层对锂表面产生了有效且自增强的钝化作用。对应体系在电化学测试中实现了约90%的高库仑效率，揭示LEDC主导的有机SEI是高效锂沉积/剥离的结构基础。

图2. EC电解液中LEDC在锂沉积前即开始形成，并主导界面钝化

EMC体系：难以形成有效界面钝化

与EC体系形成鲜明对比的是1.0 M LiPF₆/EMC电解液（图3）。原位FTIR显示，该体系在锂沉积电位（0 V_Li）以上未观察到持续累积的钝化型SEI物种，而在沉积电位以下主要生成可溶性的锂烷基碳酸盐（以LEC为代表），并伴随明显的酯交换反应生成DMC与DEC。结合气体分析结果，这些特征表明该体系不利于形成连续且有效的界面钝化层。

SEM结果表明，EMC体系中形成的锂沉积层厚且多孔，易发生破裂；XPS与SSNMR则显示其SEI富含LiF、Li₂O等无机物种，并在深度方向上呈现出明显的非均一分布。该体系的库仑效率低于15%，进一步说明无机富集并不必然对应稳定的锂沉积/剥离行为。

图3. EMC还原生成可溶性烷基碳酸盐，形成钝化能力不足的非均一SEI

混合电解液LP57：竞争路径与痕量水敏感性

在EC/EMC混合电解液LP57中，SEI形成表现出更为复杂的竞争行为（图5）。除LEDC、LEC与Li₂CO₃外，原位FTIR还检测到两类新型半碳酸盐物种（1,600和1,570 cm⁻¹）。¹³C标记与电位依赖分析表明，这些半碳酸盐源于EC的替代分解路径，其生成与痕量水还原产生的OH⁻密切相关。

这些半碳酸盐与LP57体系中较低的库仑效率（约50%）相伴出现，表明有机SEI的形成过程对痕量水高度敏感，微小的反应环境变化即可显著改变界面反应路径。

图4. LP57混合电解液中，痕量水诱导的竞争性SEI形成

无机组分解析与界面结构特征

通过SSNMR与XPS的联合分析（图6），研究进一步揭示了不同电解液体系中SEI无机组分的组成与空间分布差异。在EMC电解液中形成的SEI层厚度超过37 nm，且无机副产物（包含LiF、Li₂O及Li_xPF_y等）复杂，深度方向上的成分分布高度不均；相比之下，LP57体系的SEI明显更薄（约15–22 nm），其成分分布随深度的变化幅度明显减弱。对于EC体系，SSNMR与XPS结果一致表明其SEI以有机组分为主，整体界面层相对更薄。

图5. 无机富集的SEI并不必然保证高库仑效率

结论与意义

本研究首次在真实电化学条件下直接揭示了SEI的动态形成机制，并明确指出：长期以来被视为稳定性来源的无机富集SEI，并非高库仑效率的充分甚至必要条件；相反，以LEDC为代表的柔性有机界面层才是实现高效可逆锂沉积/剥离的关键。该有机SEI具有更低的弹性模量、更高的锂离子传导能力，并能够在沉积/剥离过程中维持连续、保形的界面结构，可促进锂的均匀沉积并抑制枝晶生长。

作为Cell Press Blue的首篇研究论文之一，本工作不仅在认识层面深化了对SEI动态形成过程及其电解液依赖性的理解，也在方法层面展示了原位界面光谱在解析复杂电化学界面中的独特优势，为高能量密度锂金属电池电解液的界面调控与理性设计提供了重要参考。

图6. 不同电解液体系下，主导SEI组分与电池性能的关联机制总览

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请作者团队进行了专访，为大家进一步详细解读。

邵阳院士团队破解了电池领域的一个关键难题，阐明了电解质选择如何决定锂离子电池的循环寿命与可充电性。在本次对第一作者Daniel Wang的专访中，他将详细介绍该研究的核心发现、学术价值及未来展望。

CellPress：

您认为这项研究对公众而言最重要的启发是什么？

Daniel Wang：

我认为最值得公众关注的是，电池性能的重大提升可能源于对负极表面形成的纳米级保护层化学性质的重新思考。本文我们开发了一种非侵入性方法，利用红外激光来探测和监测这一保护层在电池运行过程中的动态形成与演化。研究表明，高性能锂金属电池会在锂表面形成一层薄而柔韧的有机涂层，从而实现均匀高效的锂沉积。相反，那些形成厚而刚性的无机层的电池则性能较差，不仅降低效率，还会引发锂枝晶生长，从而缩短电池寿命并引发安全隐患。这为提升电动汽车续航里程和延长电子产品使用时间指明了切实可行的研究方向。

CellPress：

这些发现为何对该领域至关重要？

Daniel Wang：

锂金属负极的理论容量远超石墨，有望将电池能量密度提升一倍，支撑电动汽车、航空等高能耗应用。然而，其实际应用受限于液体电解质中的低库仑效率。SEI作为关键界面层，直接决定了电池的循环稳定性与安全性。我们的研究不仅明确了传统碳酸酯电解质与锂金属的兼容性，还揭示了SEI形成机制如何调控库仑效率与沉积行为。更重要的是，我们聚焦于已商用的碳酸酯体系，证明通过界面设计而非依赖高浓度或氟化电解质，即可实现高效稳定的锂金属电池，这为下一代电池技术提供了更可行的产业化路径。

CellPress：

为何选择Cell Press Blue发表这项成果？

Daniel Wang：

Cell Press Blue非常契合我们这项工作的定位。研究通过原位FTIR技术实现了电位分辨的界面动态观测，在方法学和概念上均有显著跨学科创新。它不仅推动了电化学界面的基础理解，也为解决储能领域的实际挑战提供了新工具。这与Cell Press Blue旨在发表兼具科学深度与现实影响力的研究使命高度一致。

CellPress：

您接下来最期待探索的研究方向或步骤是什么？

Daniel Wang：

接下来，我们将致力于把富有机SEI的设计原则拓展至更广泛、更稳定的锂金属系统。方法上，将继续发展原位光谱平台，结合多技术联用，捕捉真实循环中SEI的时空演化规律。此外，我们也希望将本研究建立的机理框架推广至其他体系，如钠金属电池和催化电化学界面，通过构建具有机械柔性、高离子电导且均匀的有机界面，为下一代储能系统设立更安全、更耐久的设计标准。