锂离子电池凭借高能量密度，已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车及电网储能系统，成为推动可再生能源高效利用的核心支撑。然而，要实现500 Wh kg-1的能量密度目标以满足电动汽车的长程续航需求，如何精准表征并调控电极及电解质界面的结构与成分至关重要。近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院王健研究员（洪堡学者）、Stefano Passerini院士联合清华大学张跃钢教授、南通大学张永正博士及中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所蔺洪振研究员等人在Journal of the American Chemical Society 期刊首次系统阐释了和频振动光谱（SFG）技术在电池界面研究中的独特优势，并以锂电池为例，为破解界面分子行为与电池性能关联的难题提供了全新解决方案。
图1. 电池工作状态及电化学SFG介绍。
当前，锂电池的充放电过程主要展现为Li+在正负极间的穿梭迁移，而电极/电解质界面形成的分子状态、固体电解质界面相（SEI）、正极电解质界面相（CEI）对电池库仑效率、循环寿命和安全性起着至关重要的作用。但SEI/CEI的形成机制、演化规律及界面Li+去溶剂化动力学等关键问题，因缺乏高时空分辨率的原位/operando表征手段，始终存在诸多争议。传统表征技术如电子显微镜、X射线光谱等难以捕捉界面分子级动态过程，而SFG光谱凭借其独特的界面选择性、高灵敏度和相干特性，成为可视化电池界面的“利器”。
该研究团队在电化学SFG领域深耕多年，系统梳理了SFG光谱在锂电池界面研究中的应用体系：从模型电极与简单电解质体系，到复杂实用电极与定制化电解液体系；全面解析了界面溶剂吸附方式、电化学双层（EDL）结构演变、CEI/SEI初始化与演化历程，以及界面Li+去溶剂化动力学的催化调控等关键过程。例如，该团队采用SFG光谱首次实现了对Li+去溶剂化动力学的实时追踪，在锂硫电池体系中，多硫化物添加剂可重构Li+溶剂化壳层，加速界面离子传输；在锂金属电池中，催化层的引入能显著降低Li+去溶剂化能垒，实现无枝晶锂沉积。该技术还可监测人工SEI的抗腐蚀行为，例如疏水聚合物修饰的锂电极在高湿度环境下仍能抑制LiOH、Li2CO3等副产物生成，展现出优异的界面稳定性。同时，采用SFG研究了电极/催化层界面对溶剂化锂离子的界面解离的促进行为。
图2. 模型和实际电池系统中电化学SFG技术的难点。
尽管原位SFG测量在界面表征方面取得了显著进展，但大多数研究集中于简单的模型体系，与实际应用条件相去甚远（图2）。例如，光谱学家主要关注稳态下结构和性质明确的体系以及已建立的模型所揭示的机制，而对于材料化学家而言，构建复杂结构和非平衡态才是电池性能的首要任务，这说明SFG在电池领域未来发展所需的提供信息不足。利用SFG直接获取具有粗糙形貌的实际体系的信息在技术和理论上仍然面临挑战。但研究团队展望了其未来发展方向：拓展远红外光谱检测范围、引入CN-/SCN-等界面指示剂、结合机器学习解析复杂光谱信号，以及将技术延伸至钠、锌、镁等后锂电池和固态电池领域。此外，SFG与X射线吸收光谱、拉曼/红外、XPS等技术的联用，将构建多尺度原位表征体系，全面揭示界面结构-性能关联机制。
图3. 电化学SFG的未来发展展望。
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Electrode/Electrolyte Interface Studies of Rechargeable Li Batteries with Interface-Specific Sum Frequency Generation Spectroscopy
Jian Wang, Jing Zhang, Xiaomin Cheng, Yongzheng Zhang, Huihua Li, Qinghua Guan, Fanglin Wu, Hao Li, Dong Wang, Meinan Liu, Yuegang Zhang, Qingbo Xiao, Stefano Passerini, Hongzhen Lin
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c17560
王健博士简介
王健 博士，洪堡学者，课题研究组长。2019年取得博士学位，随后受洪堡基金与BMBF资助在德国卡尔斯鲁厄理工学院亥姆赫兹电池储能研究所KIT-HIU工作，研究方向是二次电池界面催化构筑、固态电池界面设计、及原位表征技术，相关研究成果数次发表在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Funct. Mater.等高水平期刊，获得授权发明专利14项，研究成果曾被C&EN、《光明日报》、《人民日报》融媒中心等报道，担任The Blue Planet Prize奖国际专家组成员及Nat. Commun.、Adv. Mater.、Joule等高水平期刊独立审稿人。多次受邀在国际会议汇报研究工作。
