美国加州大学圣迭戈分校发现锂金属电池故障的根本原因

由美国加州大学圣迭戈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——放电过程中锂金属沉积物从负极表面脱落，成为电池无法再利用的“死亡”或惰性锂。这一发现发表于2019年8月21日的《自然》杂志上，挑战了传统的观点，即锂金属电池的失效是因为在锂电极和电解质之间形成一层被称为固体电解质膜(SEI)的物质。

研究人员通过开发一种测量不活跃的沉积锂的数量的技术(这是电池研究领域的首次应用)来研究锂电池失效的元凶，该方法是利用水与沉积金属锂反应并放出氢气的原理，测量氢气的数量而算出沉积锂的数量。沉积锂金属可能含有其他成分，如锂离子，通过换算，也可以求出不活泼锂的数量，研究人同时研究了它们的微观和纳米结构。这一发现或许为可充电锂金属电池从实验室走向市场铺平道路。加州大学圣迭戈分校材料科学与工程博士、第一作者房程程表示：“通过找出锂金属电池失效的重要原因，我们可以合理地提出解决这个问题的新策略”。他们期望未来的能量密度是目前锂离子电池(通常由石墨制成的负极)的两倍，因此它们的寿命更长，重量也更轻，可能会使电动汽车的行驶里程增加一倍。但是，锂金属电池的主要问题是库仑效率低，这意味着电池在淘汰之前经历有限充电循环。这是因为随着电池循环，其活性锂被封存起来，并耗尽了电解质。电池研究人员长期以来一直怀疑这是因为形成了电极和电解质之间的固体电解质膜(SEI)的缘故。

加州大学圣迭戈分校的纳米工程学院资深作者Shirley Meng教授表示，尽管研究人员开发了各种控制和稳定SEI层的方法，但是他们仍然没有完全解决锂金属电池的问题。因为在这些电池中形成了许多惰性锂，因此电池仍然会失效。所以某些重要方面被忽视了。 Shirley Meng及其同事发现，当电池放电时，从负极剥落下来的锂金属沉积物是罪魁祸首，然后被圏禁在SEI层中。由此，它们不再与负极发生电化学反应，成为不再参与电池循环的惰性锂。这种被捕获的锂在很大程度上降低了电池的库仑效率。

通过已建立的一种测量有多少非活性锂金属被俘获的方法，在寿命过半的锂金属电池试验中，研究人员发现未反应的锂金属是非活性锂的主要成分，其数量越多，库仑效率就越低。同时，来自SEI层的锂离子的数量始终保持在低水平。在8种不同的电解质中都观察到这些结果。这是一个重要的发现，这表明金属锂电池失效的主要原因是未反应的金属锂，而不是SEI。

该研究团队还提出了控制沉积并剥离锂金属的策略，包括对电极堆施加压力、形成均匀且具有机械弹性的SEI层以及采用3D电流集电器等。