振动驱动SEI减薄与无机化主导：提升锂离子电池性能的新机制

研究人员针对动态环境中锂离子电池（LIBs）性能受机械振动影响机制不明的问题，通过实验与模拟揭示了7 Hz低频振动通过剪切力选择性去除SEI（固体电解质界面）有机组分，形成更薄且无机富集的界面，使Graphite‖NMC111电池在1.5C下容量提升40.5%。该研究为动态环境下LIBs界面设计提供了新思路，发表于《Applied Surface Science Advances》。

　　

随着电动汽车的普及，锂离子电池（LIBs）在动态机械环境下的性能稳定性成为关键科学问题。传统研究多聚焦于温度、压力对电池的影响，而振动这一车辆固有特性却被长期忽视。更矛盾的是，尽管振动可能引发电池结构变形，但其对电化学界面的调控潜力尚未被挖掘。尤其SEI作为影响锂离子传输的关键界面，其机械响应机制尚不明确，导致动态环境下电池设计缺乏理论指导。

为破解这一难题，研究人员通过系统实验与模拟，首次揭示了低频振动（7 Hz）通过剪切力重塑SEI的机制。研究发现，振动诱导的界面摩擦会优先剥离SEI外层脆性有机组分（如Li₂EDC），保留机械强度更高的无机成分（LiF、Li₂CO₃），形成厚度减半（10 nm vs. 11-15 nm）且无机占比提升的优化界面。这种"机械筛分"效应使电荷转移电阻降低8.9%，最终实现Graphite‖NMC111电池在1.5C下容量提升40.5%，能量密度达301 Wh kg^-1。该成果发表于《Applied Surface Science Advances》，为动态环境电池设计提供了全新调控维度。

关键技术方法包括：商用LIR 2032纽扣电池的恒流充放电测试（0.25-2C）、原位振动实验平台（7 Hz水平振动）、HRTEM和XPS表征SEI组分、有限元模拟剪切应力分布（COMSOL Multiphysics），以及BET和XRD分析电极结构稳定性。

3.1 增强的电化学行为

振动组（V-LB）在2C下的容量比静态组（N-LB）高42.25%，且循环300次后容量保持率提升4.5%。阻抗分析显示振动使R_SEI增幅从23.2%降至12.4%，证实界面稳定性增强。

3.2 SEI修饰诱导的动力学增强

HRTEM显示振动组SEI厚度减少30%，FFT分析表明其外层无机结晶相（Li₂CO₃）占比显著提升。XPS证实振动后C=O峰强度降低47%，而LiF信号增强2.1倍。

3.3 剪切力导致的SEI组分机械分化

有限元模拟揭示Li₂EDC承受的冯·米塞斯应力达其屈服强度的2.3倍，而LiF仅0.18倍，导致有机相选择性剥离。AFM显示振动组表面粗糙度降低24%，符合"机械抛光"效应。

3.4 振动对电极材料的形态影响

BET和XRD证实振动未改变石墨比表面积（2.3 vs. 2.2 m²/g）和晶粒尺寸（19.5 nm），阴极NMC111的微裂纹分布也无显著差异，排除体相结构影响。

该研究开创性地将振动从干扰因素转化为性能调控工具，揭示了机械力-化学组分的耦合机制。通过建立"频率-剪切力-界面组成"的定量关系，为电动汽车、航空航天等动态场景的电池设计提供了新范式——无需改变材料化学组成，仅通过优化机械环境即可提升性能。未来可进一步探索振动参数（频率/振幅）与SEI演变的构效关系，以及该效应在全电池体系中的普适性规律。