说明：本文华算科技系统介绍了正极电解质界面膜（CEI）的形成、研究方法及重要性。CEI是一层在电池正极表面自发生成的保护膜，能抑制副反应并提升电池寿命。
从计算化学角度，利用DFT和分子动力学可研究电解液分解路径与界面结构，为优化电解液和提升电池性能提供理论指导。
什么是CEI？
在电池研究的世界里，有一个并不总被提及但非常关键的名词—CEI，全称是 Cathode Electrolyte Interphase，中文常称为正极电解质界面膜。
如果你熟悉电池领域，可能听过SEI（负极固体电解质界面膜），而CEI可以看作是SEI在正极的另一种呈现形式。
CEI膜的扫描电子显微镜（SEM）图像、X射线光电子能谱（XPS）图以及 CEI形成过程示意图，详细说明从电极表面到内部的化学分布，包括无机和有机层的沉积机制，定义CEI的动态形成过程。
DOI:10.1039/D5EE01030F
当电池在工作时，电解液和正极材料会发生复杂的化学反应，在正极表面逐渐形成一层极薄的膜。它并不是人工刻意加上的，而是电化学反应的产物，就像一层“自发长出的盔甲”。
别看它薄得几乎看不见，却在保护正极、提高电池寿命、抑制副反应等方面发挥着关键作用。如果没有CEI，电池中的电解液会被快速分解，正极材料也会逐渐“失效”，电池容量就会快速衰减。
计算化学如何理解CEI
那么，从计算化学的角度，我们该如何研究这层“隐形保护层”呢？首先，CEI的本质是一些复杂的有机物、无机物和盐类分解产物的混合物，它们在原子尺度上交织在一起，结构和组成非常复杂。
通过量子化学方法（如DFT计算），我们可以研究电解液分子在高电压条件下的分解路径，预测可能生成哪些中间体和最终产物。
比如，有些电解液分子会失去电子变得极不稳定，然后与正极表面氧原子反应，形成稳定的无机层。
除此之外，分子动力学模拟也能发挥作用：我们可以用它来观察电解液分子在正极表面的运动、吸附和分解过程，甚至模拟CEI层逐渐形成的动态场景。
这些计算不仅能帮助我们理解CEI是如何生成的，还能预测不同电解液配方对CEI性质的影响，为实验设计新型电解液提供方向。下图展示了通过密度泛函理论(DFT)计算和分子动力学(MD)模拟分析了CEI的形成机理。
例如从下图a看出，与其他溶剂相比，TTFPB和PF6-TTFPB配合物具有更高的最高已占据分子轨道(HOMO)值，这表明TTFPB可以在正极表面更早的被氧化形成CEI。
DOI: 10.1002/anie.202315608
为什么CEI如此重要
可能有人会问，既然有SEI保护负极，为什么还要关心CEI？其实，正极工作电压更高，反应更加激烈，电解液分子在这里更容易被氧化分解，因此CEI层的稳定性决定了电池能不能长期保持高性能。
一个理想的CEI应该既能阻挡电解液继续分解，又要允许锂离子顺利穿过，相当于一扇“选择性通道”。
从应用角度看，优化CEI能显著提升电池的循环寿命和安全性；从科研角度看，理解CEI的形成机制能帮助我们开发新型电解液和添加剂，甚至通过“分子设计”来定制更理想的界面膜。
对于计算化学研究者来说，我们需要在计算机上探索各种反应路径和生成物，预测哪种配方能长出稳定的CEI，再交给实验室去验证。未来，随着计算方法和实验的结合，CEI研究将为高能量密度、长寿命的新一代电池提供强大支持。
下图展示了使用多尺度数学模型（包括偏微分方程和热力学模拟）探究SEI的生长动力学和形态演化，并直接关联到电解质配方的优化。
DOI: 10.1039/C6CP02816K
总结
CEI作为电池运行中不可或缺的一层“隐形保护膜”，在正极与电解液之间建立了微妙的平衡。它能够有效阻挡电解液过度分解，又不妨碍锂离子的迁移，从而在延长电池寿命、提升稳定性方面发挥关键作用。
对科研人员而言，理解CEI的生成与演化过程，不仅能帮助揭示电池衰减的根源，还能推动新型电解液体系和添加剂的设计。从计算化学角度看，借助量子化学与分子动力学模拟，我们能够从原子尺度揭开界面反应的细节，并在虚拟环境中预判不同体系的表现。
未来，随着理论与实验的结合，CEI研究将为高能量密度和长寿命电池的开发提供重要的支撑，也让我们更接近理想电池的目标。
