論文未發(fā)就已惠及業(yè)界

“論文正式發(fā)表之前，研究成果就已通過預(yù)印公開，很快就有工業(yè)界人士表示，使用我們的研究結(jié)論，讓其產(chǎn)品得到了非常好的性能。此次成果將會被廣泛應(yīng)用到軟包鋰金屬電池里?！闭撐倪€未發(fā)表，業(yè)界已經(jīng)一片叫好，但方成成認(rèn)為其中也有新能源汽車“東風(fēng)正盛”的原因。

相關(guān)論文《鋰金屬電池中的壓力定制鋰沉積和溶解》

10月18日，九零后學(xué)者、密西根州立大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)系助理教授方成成擔(dān)任共同一起工作及共同通訊作者，在《自然-能源》發(fā)表論文，該研究的最重要成果，是通過給電池施加合適的壓力，實現(xiàn)了鋰金屬生長的完全可控。

鋰金屬電池能提供兩倍于鋰離子電池的整體容量。實現(xiàn)鋰金屬電池技術(shù)的瓶頸之一，在于如何安全高效地使用金屬鋰作為負(fù)極。

在電池充電過程中，鋰金屬負(fù)極極易生成鋰枝晶，如果枝晶刺穿隔膜，則會導(dǎo)致電池短路，發(fā)生安全事故;在電池放電過程中，鋰金屬負(fù)極又會形成死鋰，從而消耗電池里有限的鋰源，導(dǎo)致電池容量快速衰減，最終無法提供理想的循環(huán)壽命。

方成成博士導(dǎo)師孟穎教授

方成成

因此，如何控制鋰枝晶的生長，如何得到致密的電化學(xué)沉積的鋰負(fù)極，以及如何提高鋰金屬在充放電過程中的可逆性，從而減少甚至消除死鋰的生成，一直是領(lǐng)域內(nèi)的努力目標(biāo)。

在此次工作中，方成成等人通過控制電池壓力，在電池里通過電化學(xué)沉積得到的致密鋰金屬，幾乎達(dá)到鋰金屬的理論密度，完全消除了枝晶的生長。進(jìn)一步地，他們還提出了抑制死鋰生成的方案，讓電池在進(jìn)行長時間循環(huán)之后依然能保持致密的鋰金屬負(fù)極，借此解決了長久以來困擾整個領(lǐng)域的鋰枝晶生長和死鋰生成的問題。

尤其是他們還發(fā)現(xiàn)即使使用比較大的充放電電流、或者進(jìn)行低溫充放，這時通過壓力控制，依然能得到非常致密的鋰沉積，這意味著鋰金屬電池也能進(jìn)行快充和低溫應(yīng)用，而這顛覆了業(yè)界之前普遍認(rèn)為鋰金屬用做快充會產(chǎn)生枝晶的認(rèn)知。

如果能通過合適的工程方法，把這種壓力控制應(yīng)用到鋰金屬電池組的設(shè)計上，將會大大助力鋰金屬電池的安全商用化進(jìn)程。

方成成說，最初的想法來源于相關(guān)實驗經(jīng)驗。作為一種常用的鋰金屬負(fù)極效率研究的測試電池，Li-Cu扣式電池在安裝過程中，增加一個墊片就能讓電池內(nèi)部壓得更緊，從而得到更好的循環(huán)效率。

最近兩年，陸續(xù)有論文報道通過施加壓力，即可給鋰金屬電池帶來更好的性能。但很少有學(xué)者對壓力在鋰金屬沉積和溶解過程中的機理，進(jìn)行系統(tǒng)性研究。出于好奇，她和作者們設(shè)計了一個可調(diào)節(jié)壓力的電池裝置，并加上壓力傳感器，目的是想成體系地定量研究，鋰金屬的循環(huán)效率是如何被壓力改善的。

實驗很簡單，首先在不同壓力下進(jìn)行鋰金屬電化學(xué)沉積，實際上這對應(yīng)的是電池中的充電過程，接著再對這些沉積的鋰金屬樣品進(jìn)行橫截面形貌分析。然后她發(fā)現(xiàn)，在壓力一步步優(yōu)化的過程中，鋰金屬在電化學(xué)沉積過程中的生長方向，可以被壓力改變，借此可在最優(yōu)條件下形成完美、且致密的柱狀結(jié)構(gòu)。

鋰金屬并不是在壓力作用下發(fā)生的變形

預(yù)測的理想鋰沉積形貌

這種部分放電的策略是可通過工程手段應(yīng)用到日常電池中，電池的可用容量也不會受影響

最優(yōu)壓力大約為350kPa，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋰金屬244MPa的屈服強度，這表明鋰金屬并不是在壓力作用下發(fā)生的變形，也意味著只需三到四個大氣壓壓力，即可在工業(yè)上有效控制鋰金屬的致密生長。

作為二次電池電極，得到致密的鋰金屬沉積物只是第一步，更重要的是如何讓鋰金屬在循環(huán)過程中一直保持致密性。

通過進(jìn)一步的研究方成成發(fā)現(xiàn)，如果不把最初形成的致密柱狀鋰金屬完全溶解即進(jìn)行部分放電，從而留下一層鋰儲層作為后續(xù)循環(huán)過程中的晶體再生長的位點，并且一直保持有效壓力，便可在循環(huán)過程中始終保持鋰金屬完美的柱狀結(jié)構(gòu)，借此即可抑制固態(tài)電解質(zhì)界面和死鋰的反復(fù)生成，從而大大提高鋰金屬電池的循環(huán)效率。

據(jù)她介紹，這種部分放電的策略是可通過工程手段應(yīng)用到日常電池中，電池的可用容量也不會受影響。

電池研究是一門應(yīng)用科學(xué)，正因此方成成還和通用汽車、以及美國愛達(dá)荷國家實驗室一起合作完成了部分工作。此次成果發(fā)現(xiàn)后的第一時間，就在通用汽車實驗室進(jìn)行了軟包電池測試。愛達(dá)荷國家實驗室的合作者，則就壓力對鋰金屬生長的影響進(jìn)行了模擬，并從理論上延伸了實驗觀察的廣度。

冰凍三尺，非一日之寒。能有此次成果，也得益于她多年的積累。2019年，她曾以一作者身份在Nature發(fā)表了一篇論文，通過發(fā)明一種新的定量表征方法滴定氣相色譜法，對死鋰這一最重要的鋰金屬失效產(chǎn)物進(jìn)行了系統(tǒng)性的定量分析，并通過冷凍聚焦離子束一掃描電鏡和冷凍透射電鏡，對死鋰的形貌進(jìn)行了多維度分析。

在這個工作中，通過定量的形貌一性能關(guān)系分析做出預(yù)測：如果鋰金屬的形貌是完美的柱狀結(jié)構(gòu)，并能緊密排列在一起，即可最大程度抑制死鋰的生成。

但在當(dāng)時，她并不知道該如何得到完美形貌。而在本次研究中，通過壓力控制，實現(xiàn)了上一篇《自然》論文中預(yù)測的理想鋰沉積形貌。

方成成表示，電池由很多部分組成，是一個復(fù)雜體系，并且這些部分會相互影響。該體系存在的問題，從材料原子尺度、到器件尺度各不相同、且互相交織。

這種復(fù)雜性讓電池的失效分析變得棘手。在2019年的《自然》論文中，她通過多維度定量表征、以及大量采集可重復(fù)的實驗數(shù)據(jù)，最終得以在復(fù)雜性中摸索到定量關(guān)系，從而給后續(xù)工作帶來了可靠指導(dǎo)。

她表示，其和團(tuán)隊第一次用電鏡通過實驗得到預(yù)測的結(jié)構(gòu)時，感到非常激動。該結(jié)果不僅驗證了預(yù)測準(zhǔn)確性，并得到了理想的鋰金屬沉積形貌，也讓鋰金屬負(fù)極這個挑戰(zhàn)性十足的課題邁向了新階段。

事實上，該研究已被工業(yè)界應(yīng)用到軟包鋰金屬電池組的設(shè)計中。從得到的反饋來看，在鋰金屬電池的實際應(yīng)用中，精確的壓力控制必不可少。反過來，如果沒有合適的壓力，即使使用最好的電解液，軟包鋰金屬電池也幾乎無法循環(huán)。

理論上，軟包鋰金屬電池可得到兩倍于目前電池技術(shù)的整體能量密度，即達(dá)到500Wh/kg，可以說這正是為電動車而設(shè)計。但目前由于安全性能和循環(huán)壽命的限制，還無法達(dá)到商用標(biāo)準(zhǔn)。

目前，軟包鋰金屬電池還處于實驗室階段，或者說商業(yè)化最早期階段，已有公司嘗試把這種電池用到無人機上，以得到更久的續(xù)航。更長遠(yuǎn)的應(yīng)用，包括把壓力調(diào)節(jié)作為實現(xiàn)鋰金屬電池快充和低溫應(yīng)用的方法。在此次論文中，作者們只是初步驗證了方向的可行性，未來還需要更多系統(tǒng)性的研究，并得出可靠結(jié)論后才可投入應(yīng)用。

方成成生于1990年，今年31歲，成長于湖南省岳陽市華容縣，本科就讀于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。

讀本科時，她剛好趕上了智能手機的興起，智能手機對老式手機的取代，讓她看到電池技術(shù)的重要。她選擇參與趙新兵教授課題組鋰離子電池相關(guān)的研究作為畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容。

本科畢業(yè)后，她在香港科技大學(xué)陳國華教授的指導(dǎo)下開始攻讀哲學(xué)碩士學(xué)位。研究課題依然圍繞新型鋰離子電池材料展開。2019年，她在加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）獲得材料學(xué)博士學(xué)位，師從孟穎教授。博士畢業(yè)后，她留組進(jìn)行了短暫的博士后研究，以完成此次論文。

在博士和博后期間，她的研究工作均在美國能源部電池500聯(lián)盟的資助下完成的。電池500聯(lián)盟是美國能源部電池研究的旗艦項目，由西北太平洋國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)，由包括UCSD在內(nèi)的九個美國國家實驗室和大學(xué)成員組成，目標(biāo)是研發(fā)電池整體能量密度到達(dá)500Wh/kg的鋰金屬電池，以用于下一代電動車。

方成成（右）與博士導(dǎo)師孟穎（左）教授，UCSD畢業(yè)典禮

2019年的諾貝爾化學(xué)獎得主約翰·古迪納夫和斯坦利·惠廷厄姆都是這個聯(lián)盟的成員?！安┦科陂g，能有機會和領(lǐng)域內(nèi)最頂尖的科學(xué)家們一起工作，對我來說是特別大的鼓舞和激勵。”

方成成表示，自己作為表征組的核心成員，完成了本文提及的兩篇論文，目的都是為了解決鋰金屬在實際應(yīng)用中遇到的問題而展開的最基礎(chǔ)的材料科學(xué)研究。

從本科畢業(yè)設(shè)計的論文開始，她一直致力于鋰電池材料的研究，至今已有整整十年。如今，她將繼續(xù)帶領(lǐng)自己的課題組，致力于開發(fā)新型電池材料和制造方法的研究。（綜合整理報道） （編輯/萊西）