美國加州大學圣迭戈分校發(fā)現(xiàn)鋰金屬電池故障的根本原因

由美國加州大學圣迭戈分校領(lǐng)導的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了鋰金屬電池失效的根本原因——放電過程中鋰金屬沉積物從負極表面脫落，成為電池無法再利用的“死亡”或惰性鋰。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于2019年8月21日的《自然》雜志上，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的觀點，即鋰金屬電池的失效是因為在鋰電極和電解質(zhì)之間形成一層被稱為固體電解質(zhì)膜(SEI)的物質(zhì)。

研究人員通過開發(fā)一種測量不活躍的沉積鋰的數(shù)量的技術(shù)(這是電池研究領(lǐng)域的首次應用)來研究鋰電池失效的元兇，該方法是利用水與沉積金屬鋰反應并放出氫氣的原理，測量氫氣的數(shù)量而算出沉積鋰的數(shù)量。沉積鋰金屬可能含有其他成分，如鋰離子，通過換算，也可以求出不活潑鋰的數(shù)量，研究人同時研究了它們的微觀和納米結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)或許為可充電鋰金屬電池從實驗室走向市場鋪平道路。加州大學圣迭戈分校材料科學與工程博士、第一作者房程程表示：“通過找出鋰金屬電池失效的重要原因，我們可以合理地提出解決這個問題的新策略”。他們期望未來的能量密度是目前鋰離子電池(通常由石墨制成的負極)的兩倍，因此它們的壽命更長，重量也更輕，可能會使電動汽車的行駛里程增加一倍。但是，鋰金屬電池的主要問題是庫侖效率低，這意味著電池在淘汰之前經(jīng)歷有限充電循環(huán)。這是因為隨著電池循環(huán)，其活性鋰被封存起來，并耗盡了電解質(zhì)。電池研究人員長期以來一直懷疑這是因為形成了電極和電解質(zhì)之間的固體電解質(zhì)膜(SEI)的緣故。

加州大學圣迭戈分校的納米工程學院資深作者Shirley Meng教授表示，盡管研究人員開發(fā)了各種控制和穩(wěn)定SEI層的方法，但是他們?nèi)匀粵]有完全解決鋰金屬電池的問題。因為在這些電池中形成了許多惰性鋰，因此電池仍然會失效。所以某些重要方面被忽視了。 Shirley Meng及其同事發(fā)現(xiàn)，當電池放電時，從負極剝落下來的鋰金屬沉積物是罪魁禍首，然后被圏禁在SEI層中。由此，它們不再與負極發(fā)生電化學反應，成為不再參與電池循環(huán)的惰性鋰。這種被捕獲的鋰在很大程度上降低了電池的庫侖效率。

通過已建立的一種測量有多少非活性鋰金屬被俘獲的方法，在壽命過半的鋰金屬電池試驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)未反應的鋰金屬是非活性鋰的主要成分，其數(shù)量越多，庫侖效率就越低。同時，來自SEI層的鋰離子的數(shù)量始終保持在低水平。在8種不同的電解質(zhì)中都觀察到這些結(jié)果。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，這表明金屬鋰電池失效的主要原因是未反應的金屬鋰，而不是SEI。

該研究團隊還提出了控制沉積并剝離鋰金屬的策略，包括對電極堆施加壓力、形成均勻且具有機械彈性的SEI層以及采用3D電流集電器等。