康奈尔大学赵庆博士综述金属负极表面SEI设计，旨在推动固体电解质界面评价标准体系｜专访

“电极与电解液界面形成的固体电解质界面相（Solid Electrolyte Interphase, SEI），科研人员曾尝试从不同的角度进行解释，近五年也有许多与SEI相关的论文。在长达四十多年的发展史中，人们对 SEI 的理解不断深入，同时也增加了对 SEI 进行系统性总结的难度。”康奈尔大学赵庆博士对 DeepTech 说。

“电极与电解液界面形成的固体电解质界面相（Solid Electrolyte Interphase, SEI），科研人员曾尝试从不同的角度进行解释，近五年也有许多与SEI相关的论文。在长达四十多年的发展史中，人们对 SEI 的理解不断深入，同时也增加了对 SEI 进行系统性总结的难度。”康奈尔大学赵庆博士对 DeepTech 说。

事实上，SEI对金属负极（锂、钠、钾、镁、钙、锌、铝等）的沉积 / 析出影响不容忽视。SEI 的不稳定会造成金属枝晶产生，这不仅会降低电池寿命，甚至会引发火灾或爆炸。如何实时动态地表征SEI在电化学反应中的结构演变，是该领域亟待解决的问题之一。

赵庆对 DeepTech 表示，如何将SEI所具备的特征、用途、发展趋势研究透彻，统一SEI的评价标准，让各个领域的研究学者对SEI达成共识，是赵庆所在康奈尔大学林登・阿彻 Lynden Archer 教授研究团队的初衷。

5 月 19 日，题为《通过固体电解质界面相的设计稳定金属电池阳极》“Stabilizing metal battery anodes through the design of solid electrolyte interphases” 的论文发表在能源顶尖期刊 Joule 上，该研究系统回顾了在金属负极表面SEI的发展历史、化学性质、形成特点及设计思路，展望了 SEI 的发展方向。

SEI 技术策略可以稳定金属锂负极，构建的锂金属电池可使电池能量密度提高 50%

目前市场上锂电池负极材料主要是层状的石墨材料，石墨负极的缺点是能量密度比较低。目前基于传统石墨负极的锂离子电池能量密度上限约为 300 Wh/kg，金属锂负极比容量高，通过设计 SEI 的策略可以稳定锂金属二次电池，理论上能使电池能量密度至少提高 50%，2030 年电池的能量密度有望超过 500 Wh/kg。

电池就像一个黑匣子，里面的运转机理是如何进行的？如何实时动态地表征SEI在电化学反应过程中的变化和结构演变？是该领域亟待解决的问题。

不管是内部产生还是人工合成，SEI 的设计都需要考虑以下三方面的影响：

第一，考虑机械方面的性质，保证界面不能与电解液发生反应。在金属反复的沉积 / 析出过程中，SEI 存在大量的应力和应变，包括由于树突生长从压缩应力到拉升应力之间的过渡，以及由于腔形成从拉伸到压缩应力的过渡。

在这些极端条件下，SEI 很容易发生破裂，产生树突穿透现象。即便没有形成树突，SEI 的机械降解也会使锂暴露在电解液中，从而消耗锂和电解液，机械性质的这种不稳定性会加速电池故障。第二，考虑化学稳定方面的性质。理想状态下，人工 SEI 必须同时在化学和电化学上稳定地对抗锂金属负极，防止电解液组件的法拉第和非法拉第反应以及锂离子的减少，保证电解液在长期循环过程中电化学稳定性不会发生破坏。

人工SEI 应当具备阻断电解液的作用，既要保证锂离子正常扩散，也要保持电子绝缘。 第三、考虑如何让金属离子均匀、稳定的传导。由于原生 SEI 不同位置的扩散差异是树突电极定位的主要诱因之一，保持均匀和快速的锂离子扩散，是能够抑制树突生长稳定 SEI 的关键。

近期，与钠、钾、镁、钙、锌、铝等其他金属一起开发的电池被越来越多的用户关注，这些金属物理化学性质和表面信息的变化表明，电解质中需要不同的 SEI 设计策略。

“SEI作为一门新兴的学科涉及领域广泛，需要化学领域、物理领域、工程领域，甚至计算机模拟领域共同协作，这有利于科学界能对 SEI 形成统一规范的认识。”赵庆对 DeepTech 表示。

通过界面设计将锂金属二次电池的稳定性从 100 圈提高到 500 圈以上

赵庆向 DeepTech 表示，SEI的应用非常重要，它就像手机屏幕上的保护膜，如果没有贴保护膜可能手机一摔就碎，对于贴有保护膜的手机被摔之后，可能屏碎了但手机没问题，SEI就起到这样的作用，并且对金属沉积和析出具有一定的调控作用。

当把一种金属镀到另一种基底上时，在大电流的条件下往往会产生类似像窗花形状的沉积，我们称之为 “枝晶”，枝晶会对二次电池造成极大的危害。

第一，影响电池寿命。枝晶的表面积大，会提高与电解液的反应活性，把电解液耗干，导致电池很快失活，使得电池的寿命降低。第二，影响电池安全性。枝晶能够直接把电池正极和负极连接起来，导致电池短路，可能会引发火灾，情节严重时甚至会发生爆炸。

这一研究推动了未来金属二次电池的界面设计思路。目前锂金属电池方面的技术及应用已经取得重大突破，通过界面的设计，结合电池其他组分的优化，可以地金属锂电池 100 圈的寿命提高到 500 圈以上。

据悉，赵庆在康奈尔大学所在的整个团队做 “SEI” 领域的研究已有 5~10 年，他们一直在思考如何把SEI研究透彻，比如SEI到底有哪些特性、有哪些应用、未来发展如何。如果能把固态电解质界面研究明白，将会使电池（消耗类电子产品、电动汽车、电网等）、半导体等相关领域巨大的变化。众所周知，电池技术在手机、电动汽车等领域已经被广泛利用，对国家 “碳达峰和碳中和” 战略发展也至关重要。在实现 “碳中和” 过程中必然要加大风能、太阳能等可再生能源在整个能源中所占的比例，但这些能源利用的利用是间接性的。

比如，风能在有风的时候才能发电，太阳能集中在中午发电，这与日常用户的需求极不匹配，因此需要一个储能系统来调控这些电量。恰恰电池在整个用电系统里可以起到削峰填谷的作用，可以在中午储存电量，晚高峰时释放电量。

基于金属锂密度高、质量轻的特点，目前在无人机、部分智能手表上已经有一些示范性应用，需要很小一块电池就可以达到预期的效果，锂金属电池高密度、高能量的优势很容易体现。

与此同时，“我们也意识到像半导体电子电镀这样的领域对界面也有一定的研究，与我们涉及的电池领域也缺乏联动”赵庆向DeepTech 表示。

所在团队十年铸剑，推动各界对 SEI 达成统一共识

我读博士期间专攻电池正负极方向，在康奈尔大学读博期间，四年专攻界面研究，我想把这两方向整合统一起来，希望产生更大的合力。未来，我希望以下两个方向继续深耕。

第一，建立一种原位动态的表征体系，通过多手段联用，对 SEI 有动态的、全面的认识，最终期待能够创建有指导意义的界面设计说明书，向科学界传递理解SEI需要多领域协作的信号，促进各个领域的研究学者对界面设计达成统一共识。

第二，期待在安全储能、高能量密度储能方向开创新的应用领域，反过来加深对SEI的认识。在应用方面，能够丰富未来储能的电池选择，为大规模以及高能量密度储能体系利用，提供一定的理论基础和设计思路。其次，促进锂离子电池到金属电池的转变，可以丰富了电化学表界面科学的知识体系。

“努力工作、快乐生活” 独特的科研内功心法

赵庆向DeepTech 表示，科研过程中发现未知的问题时，最有成就感。然而，科研之路并非只有鲜花与掌声，也有 “独上高楼，望尽天涯路” 的煎熬与苦闷。每当我看到周围的同学都在进步，自己却很久没有出任何研究成果，也会很焦虑。

面对科研中遇到的难题，赵庆认为，“一要自信，相信努力付出终会得到回报；二要善于思考，原本研究思路走进死胡同时，及时止损并转换研究思路，往往会柳暗花明。三要直面自己的无知，大胆表达自己的想法，多向导师请教。”

谈及如何缓解科研压力时，赵庆向 DeepTech 介绍了自己独特的 “内功心法”，简而言之八个字 “努力工作、快乐生活”。

“我最大的感悟科研工作是细水长流的工程，要学会劳逸结合，没必要因为科研暂时的困难而抑郁不安，把每天的工作做好之余，偶尔放松一下，思路反而比较清晰。按照这样的节奏坚持一年、三年、五年，从长期价值主义的角度来讲，工作成效会超乎自己的想象。“赵庆向DeepTech 表示。

目前，赵庆已回到国内工作，加入由南开大学陈军院士领衔的创新团队，担任南开大学化学学院特聘研究员，博士生导师。南开大学化学系创建于 1921 年，今年即将迎来百年华诞。目前课题组正在招募各类人才，欢迎志同道合的科研工作人员一起学习提高: [email protected]。