加州大學李煜章PNAS：首次提出SEI定量評價指標，揭示其固態電解質功能

【研究背景】

固態電解質界面（SEI）是電池中最關鍵且最神秘的界面之一。自1979年Peled提出概念以來，人們一直認為SEI在保護負極和提升循環壽命方面起著決定性作用。然而，現有研究對SEI的描述大多停留在“穩定”“導電”等定性層面，缺乏對其離子/電子傳輸特性及整體功能的量化評估。這種“黑箱”式的理解嚴重制約了我們對高性能鋰金屬電池和固態電池的設計。如何建立一個科學合理的指標，定量評估SEI的關鍵性能并與電池實際表現建立強關聯，是該領域亟需解決的核心問題。

【工作簡介】

近日，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）李煜章團隊在美國國家科學院院刊PNAS上發表了題為“A quantitative figure of merit for battery SEI films and their use as functional solid-state electrolytes”的研究成果。該工作首次將SEI視作“功能性固態電解質（SSE）”，并通過創新性的無隔膜Cu|SEI|Li電池結構，實現了對SEI離子電導率、電子電導率和鋰離子遷移數的直接測量。研究團隊提出了一個全新的定量指標 “SEI cT值”（類似熱電材料的zT值），用以綜合評估SEI的整體功能，并揭示其與電池庫倫效率（CE）幾乎完美相關。這一發現為理解和設計下一代高性能電池界面提供了全新的視角和工具。加州大學洛杉磯分校化工系博士生劉博和趙定一為本文共同第一作者。

【內容表述】

要點一：無隔膜Cu|SEI|Li測試平臺的搭建（圖1）

研究團隊設計了一種創新的無隔膜 Cu|SEI|Li 架構，將SEI視作薄層固態電解質。利用交流阻抗譜（EIS）、Hebb–Wagner法和Bruce–Vincent法，首次在單一實驗平臺中定量獲取SEI的三大關鍵參數：離子電導率（10^-5–10^-4 S/cm）、電子電導率（~10^-9 S/cm）和鋰離子遷移數（0.4–0.8），實現了從表征到定量分析的跨越。

圖1：無隔膜Cu|SEI|Li測試平臺的搭建

要點二：SEI電導特性和遷移數的測量及其對電池性能的影響（圖2）

該研究系統比較了六種具有不同化學組成和電化學性能的SEI膜。通過電化學阻抗譜（EIS）測量所得，所有SEI膜的離子電導率均處于10^-5至10^-4 S/cm的范圍，與LLZO等無機固態電解質及固態聚合物電解質相當。這一結果表明SEI具備固態電解質的基礎特性。然而，離子電導率的高低并不能單獨決定電池性能。此外，研究進一步定量分析了SEI的電子電導率，結果顯示其在9×10^-10到3×10^-9 S/cm之間，顯著高于傳統固態聚合物電解質（~10^-12 S/cm），與LLZO等氧化物固態電解質接近。這意味著SEI并非完全電子絕緣，可能在靜置過程中發生持續副反應，導致鋰金屬腐蝕與容量損失。研究還首次測定了SEI中的鋰離子遷移數，發現該值介于0.4到0.8之間，遠低于理想的單離子導體（T⁺ ~ 1）。這表明SEI中存在一定程度的陰離子遷移，可能引發電場極化和濃度梯度，從而造成鋰金屬的不均勻沉積。綜上，離子電導率、電子電導率和鋰離子遷移數三者對電池性能的影響具有復雜的耦合關系，不能以任一單獨參數來準確預測，而應統一納入綜合評價指標中。

圖2：SEI電導特性和遷移數的測量及其對電池性能的影響

要點三：SEI cT值定義與其對庫倫效率的預測能力（圖3）

受到熱電材料zT評價體系的啟發，該工作首次提出了用于電池SEI膜的新型綜合性能指標：

cT ≡ (σ_i × T⁺) / σ_e

該指標兼顧三項關鍵功能：離子導通性、電子阻隔性和鋰離子選擇性，首次用一個公式統一了SEI膜所需的三大理想特性。更重要的是，cT值與庫侖效率呈現近乎完美的線性關系（R² = 0.99），顯著優于任何單一參數。

圖3：SEI cT值定義與其對庫倫效率的預測能力

要點四：SEI作為固態電解質完成鋰金屬沉積與剝離（圖4）

我們通常將SEI（固態電解質界面膜）視為鋰金屬電極上的鈍化保護層。但本項研究首次實驗證明SEI不僅僅是“副產物膜”，而是具備實際功能的“固態電解質”材料。在低電流下，研究觀察到典型的鋰成核過電位與沉積電壓平臺，證明了鋰離子可以通過SEI膜遷移并沉積到銅集流體表面。進一步的SEM與低溫透射電鏡（Cryo-EM）表征也直接確認了鋰金屬的沉積形貌及其晶體結構。

圖4：SEI作為固態電解質完成鋰金屬沉積與剝離

【文獻詳情】

A quantitative figure of merit for battery SEI films and their use as functional solid-state electrolytes

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2425556122

【作者簡介】

通訊作者

李煜章，加州大學洛杉磯分校化工系副教授。2009-2013年加州大學伯克利分校本科，2013-2018年斯坦福大學博士（導師：崔屹教授），2018-2020年斯坦福大學博士后（合作導師：Prof. Bob Sinclair & 崔屹教授），2020年7月入職加州大學洛杉磯分校。以第一作者或通訊作者身份在國際知名學術期刊Science，Nature，Nature Energy，Joule，Chem，Matter等發表論文數十篇，多次入選科睿唯安高被引作者（Clarivate Highly Cited Researcher），總被引20000多次，h-指數為50。入選美國能源部早期職業生涯獎（DOE Early Career award），美國國家科學基金會職業生涯獎（NSF Career award），美國化學會石油研究基金新研究員獎（ACS PRF Doctoral New Investigator Award），福布斯30歲以下30人榜單（Forbes 30 Under 30 in Science）等多項獎勵。課題組聚焦于冷凍電鏡、納米材料合成以及電化學的學科交叉，致力于通過以冷凍電鏡為代表的先進表征技術，揭示電化學、鋰電池原子水平的現象和機理，以指導功能材料的設計與實際應用，詳見：https://sites.google.com/view/li-groupucla/research

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