（圖源：UCSD官網）

　　據外媒報道，加州大學圣地亞哥分校（UCSD）領導的研究小組發現，鋰金屬電池失效的根本原因在于：在電池放電過程中，少量的金屬鋰沉積物在從負極表面脫落并被困住，變成無法再使用的“死”或非活性鋰。

　　這一發現挑戰傳統觀點，即鋰金屬電池失效是因為鋰負極和電解質之間形成的固態電解質界面膜（SEI）。研究人員開發一種技術，測量負極上非活性鋰的數量，并研究其微納米結構，從而得出這一結論。這在電池研究領域尚屬首次。這些發現或將為實現可充電鋰金屬電池商業化鋪平道路。

　　鋰金屬電池（由鋰金屬制成負極）是下一代電池技術的重要組成部分，其能量密度是目前鋰離子電池（通常采用石墨負極）的兩倍。因此，使用壽命更長，重量更輕，可能使電動汽車的續航里程增加一倍。但是，鋰金屬電池存在一個重要問題，那就是庫侖效率低，電池可循環次數有限。這是因為在循環過程中，電池中存儲的活性鋰和電解質被消耗殆盡。

　　長期以來，電池研究人員一直懷疑，這是由于負極和電解質之間形成的固體電解質界面膜（SEI）造成的。但是，加州大學圣地亞哥分校的納米工程學教授、主要研究人員Y. Shirley Meng表示，盡管研究人員已經開發出各種控制和穩定SEI層的方法，仍然無法徹底解決這一問題。“這些電池仍然會失效，因為電池中正在形成大量非活性鋰。所以，應該還有一個重要的方面被忽視了。”

　　研究人員發現，鋰金屬電池失效的罪魁禍首是鋰金屬沉積。當電池放電時，鋰金屬沉積從負極脫落，然后被困在SEI層，失去與負極的電連接，變成不能參與電池循環的非活性鋰。這些被困住的鋰大大降低了電池的庫侖效率。研究人員發明一種方法，測量有多少未反應的金屬鋰作為非活性鋰被困，從而確定電池失效原因。他們往密封的燒瓶中加水，瓶中含有在半電池循環中形成的非活性鋰樣品。所有未反應的金屬鋰都會與水發生化學反應產生氫氣。通過測量產生了多少氣體，研究人員可以計算出被困金屬鋰的數量。非活性鋰還包括另一種成分：鋰離子，這也是SEI層的組成部分。可從非活性鋰總量中減去未反應的鋰金屬量，來計算它們的數量。

　　在對金屬鋰半電池的測試中，研究人員發現未反應的金屬鋰是非活性鋰的主要成分。隨著它的形成，庫侖效率逐漸降低。與此同時，SEI層的鋰離子含量始終保持在較低水平。在八種不同的電解質中，可以觀察到這些結果。“這一發現很重要。從中可以看出，鋰金屬電池的主要失效產物是未反應的金屬鋰，而不是SEI，”研究人員Fang說，“通過這種方法來量化活性鋰的兩種成分，能達到超高精度，得出值得信賴的結果。這是其他表征工具無法做到的。”

　　“從化學性質的角度，金屬鋰具有侵略性，因此，這項任務極具挑戰性。金屬鋰會同時發生許多不同類型的寄生反應，幾乎無法將各種非活性鋰區分開來。”美國陸軍研究實驗室的研究員Kang Xu表示，“這項研究帶來的先進方法，可提供非常強大的工具，以精確可靠的方式做到這一點。”Xu所在實驗室的團隊為此項研究提供先進的電解液配方。

　　研究人員希望他們的方法能夠成為評估鋰金屬電池效率的新標準。

　　通過研究不同電解質中鋰沉積的微納米結構，研究人員回答了另一個重要的問題：為什么有些電解質能提高庫侖效率，另一些卻不能。

　　這與電池充電時鋰在負極上的沉積方式有關。在一些電解質中，鋰能形成微納米結構，從而提高電池性能。例如，在通用汽車研究人員特別設計的電解液中，產生密集的柱狀塊狀鋰沉積。在放電過程中，受益于這種結構，作為非活躍鋰、被困在SEI層中的未反應金屬鋰較少。根據測試結果，第一次循環的庫侖效率為96%。“這種優異的性能歸功于電流收集器表面形成的柱狀微觀結構，它的彎曲度最小，大大增強了結構連接，”通用汽車全球研發中心的Mei Cai士說。他的團隊開發了先進的電解質，使鋰以“理想”的微觀結構沉積。

　　相比之下，使用商用碳酸鹽巖電解質時，鋰沉積呈現出扭曲的、晶須狀形態。這種結構導致更多的鋰金屬在脫離過程中被困在SEI中，庫侖效率降至85%。

　　接下來，研究小組提出控制金屬鋰沉積和脫離的方法，包括對電極堆施壓、形成均勻且具有機械彈性的SEI層、使用3D電流收集器。“關鍵是控制微納米結構，”Meng說，“希望我們的發現能夠激發新的研究方向，推進可充電鋰金屬電池的發展。”