由加利福尼亚大学圣地亚哥分校领导的一个研究小组发现了锂金属电池失效的根本原因 - 锂金属沉积物在放电过程中从阳极表面脱落，被困为“死”或无活性锂电池无法再访问。

8月21日发表在“ 自然”杂志上的这一发现挑战了传统观念，即锂金属电池由于锂阳极和电解质之间的一层(称为固体电解质中间相(SEI))的生长而失效。研究人员通过开发一种技术来测量阳极上非活性锂物质的数量 - 这是电池研究领域的第一个 - 并研究其微观和纳米结构，从而发现了他们的发现。

这些发现可为将可充电锂金属电池从实验室推向市场铺平道路。

“通过弄清楚锂金属电池失效的主要根本原因，我们可以合理地提出解决问题的新策略，”第一作者方成成说，他是材料科学与工程博士。加州大学圣地亚哥分校学生 “我们的最终目标是实现商业上可行的锂金属电池。”

锂金属电池具有由锂金属制成的阳极，是下一代电池技术的重要组成部分。它们的能量密度是当今锂离子电池(通常由石墨制成的阳极)的两倍，因此它们可以使用更长时间，重量更轻。这可能会使电动汽车的范围翻倍。

但锂金属电池的一个主要问题是库仑效率低，这意味着它们在停止工作之前会经历有限的循环次数。这是因为随着电池循环，其活性锂和电解质的存储量将减少。

电池研究人员长期以来一直怀疑这是由于阳极和电解质之间的固体电解质中间相(SEI)层的生长。但是，虽然研究人员已经开发出各种方法来控制和稳定SEI层，但他们仍然没有完全解决锂金属电池的问题，资深作者Y. Shirley Meng解释说，他是加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授。

“电池仍然失效，因为这些电池中形成了大量不活跃的锂电池。因此，另一个重要方面是被忽视，”孟说。

孟，芳及其同事发现，罪魁祸首是锂金属沉积物，当电池放电时，锂金属沉积物会从阳极上脱落，然后被困在SEI层中。在那里，它们失去了与阳极的电连接，变成了不能再通过电池循环的非活性锂。这种被捕获的锂主要负责降低电池的库仑效率。

柱状微结构的横截面的SEM图像，其导致高库仑效率。图片来源：萌实验/自然

测量无活性锂的成分

研究人员通过创建一种方法来测量未反应的锂金属被捕获为无活性锂的方法，从而确定了罪魁祸首。将水加入到密封烧瓶中，该烧瓶含有在循环半电池上形成的无活性锂样品。任何未反应的锂金属都与水发生化学反应生成氢气。通过测量产生的气体量，研究人员可以计算出被困锂金属的含量。

非活性锂也由另一种组分组成：锂离子，它是SEI层的组成部分。它们的量也可以简单地通过从无活性锂的总量中减去未反应的锂金属的量来计算。

在对锂金属半电池的测试中，研究人员发现未反应的锂金属是非活性锂的主要成分。随着形式越多，库仑效率下降越低。同时，来自SEI层的锂离子量始终保持低水平。在八种不同的电解质中观察到这些结果。

“这是一个重要的发现，因为它表明锂金属电池的主要故障产品是未反应的金属锂而不是SEI，”方说。“这是一种可靠的方法来量化非活性锂的两种成分，具有超高精度，这是其他表征工具无法做到的。”

“锂金属的侵蚀性化学性质使得这项任务非常具有挑战性。许多不同类型的寄生反应同时发生在锂金属上，因此几乎不可能区分这些不同类型的非活性锂，”康旭说，他的团队在美国。陆军作战能力发展指挥部陆军研究实验室提供了一种先进的电解质配方来测试该方法。“在这项工作中建立的先进方法提供了一个非常强大的工具，可以以精确可靠的方式完成这项工作。”

Chengcheng Fang使用加州大学圣地亚哥分校的研究人员发明的一种技术来量化非活性锂。图片来源：David Baillot /加州大学圣地亚哥分校Jacobs工程学院

研究人员希望他们的方法可以成为评估锂金属电池效率的新标准。

“电池研究人员面临的问题之一是实验室的测试条件非常不同，因此很难比较数据。就像比较苹果和橙子一样。我们的方法可以让研究人员确定电化学测试后形成多少非活性锂，无论他们使用什么类型的电解质或细胞形式，“孟说。

仔细看看不活跃的锂

通过研究不同电解质中锂沉积物的微观和纳米结构，研究人员回答了另一个重要问题：为什么有些电解质可以提高库仑效率，而有些则不然。

答案与电池充电时锂在阳极上的沉积方式有关。一些电解质导致锂形成微米和纳米结构，从而提高电池性能。例如，在孟氏通用汽车合作伙伴专门设计的电解液中，锂沉积为密集的柱状块。这种类型的结构导致较少的未反应的锂金属在放电期间作为无活性的锂被捕获在SEI层中。结果是第一个循环的库仑效率为96%。

“这种优异的性能归功于在集电器表面形成的柱状微结构，具有最小的弯曲度，这显着增强了结构连接，”Mei Cai说，他在通用汽车公司的团队开发了先进的电解液，使锂能够沉积在“理想”的微观结构。

相反，当使用商业碳酸盐电解质时，锂沉积具有扭曲的晶须状形态。在剥离过程中，这种结构导致更多的锂金属被捕获在SEI中。库仑效率降低至85%。

展望未来，该团队提出了控制锂金属沉积和剥离的策略。这些包括在电极堆上施加压力; 创建均匀且机械弹性的SEI层; 并使用3-D集电器。

“控制微观和纳米结构是关键，”孟说。“我们希望我们的见解将激发新的研究方向，将可充电锂金属电池提升到一个新的水平。”