一个动画展示了锂电池测试电池的充电和放电如何导致“死”(或分离)锂金属岛在电极之间来回蠕动。锂离子在电解液中来回移动，在岛的两端形成了负电荷(蓝色)和正电荷(红色)的区域，当电池充电和放电时，这些区域会交换位置。锂金属在岛的负端聚集，在正端溶解；这种持续的增长和溶解导致了这里看到的来回运动。SLAC和斯坦福大学的研究人员发现，在给电池充电后立即增加一个短暂的高电流放电步骤，会推动岛向阳极或负电极的方向生长。与阳极重新连接使岛上的死锂恢复了生命，并将电池寿命提高了近30%。C redit: Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室美国能源部SLAC国家加速器实验室和Stanfor d大学的研究人员可能已经找到了一种振兴可充电锂电池的方法，有可能提升电动汽车的续航里程和下一代电子设备的电池寿命。当锂电池循环时，它们会积累一些从电极上切断的非活性锂岛，从而降低电池储存电荷的能力。但是研究小组发现，他们可以让这种“死亡”的锂像蠕虫一样向其中一个电极蠕动，直到它重新连接，部分逆转不需要的过程。
增加这一额外步骤减缓了他们测试电池的退化，并将其寿命提高了近30%。
12月22日发表在《自然》杂志上的一项研究的主要作者、斯坦福大学博士后方柳说:“我们现在正在探索利用极快的放电步骤来恢复锂离子电池失去的容量的潜力。
失去连接
大量研究集中在寻找方法，使可充电电池比目前用于手机、笔记本电脑和电动汽车的锂离子技术重量更轻、寿命更长、安全性更高、充电速度更快。一个特别的重点是开发锂金属电池，它可以储存更多的单位体积或重量的能量。例如，在电动汽车中，这些下一代电池可以增加每次充电的里程，并可能占用更少的行李箱空间。
这两种电池都使用带正电荷的锂离子，在电极之间来回穿梭。随着时间的推移，一些金属锂变得电化学惰性，形成孤立的锂岛，不再与电极连接。这导致了容量的损失，并且对于锂金属技术和锂离子电池的快速充电来说是一个特殊的问题。
然而，在新的研究中，研究人员证明了他们可以动员和回收分离的锂来延长电池寿命。
领导这项研究的斯坦福和SLAC大学教授、斯坦福材料和能源研究所研究员崔屹说:“我一直认为孤立锂不好，因为它会导致电池老化，甚至着火。“但我们已经发现了如何将这种‘死亡’的锂重新与负极电连接，以重新激活它。”
当一个未激活的锂金属岛移动到电池的阳极或负极，并重新连接时，它会恢复生命，为电池的电流提供电子，并提供锂离子来存储电荷，直到需要为止。该岛通过在一端添加锂金属(蓝色)并在另一端溶解它(红色)来移动。来自SLAC和斯坦福的研究人员发现，他们可以通过在电池充电后立即增加一个短暂的大电流放电步骤来推动该岛向阳极方向发展。将该岛重新连接到阳极上可以将锂离子测试电池的寿命提高近30%。信用:格雷格·斯图尔特/ SLAC国家加速器实验室爬行，没有死亡
这项研究的想法是在崔推测给电池的阴极和阳极施加电压可以使锂的孤岛在电极之间物理移动时产生的——他的团队现在已经用他们的实验证实了这个过程。
科学家们制造了一个光学电池，它有一个锂镍锰钴氧化物(NMC)阴极，一个锂阳极和一个隔离的锂岛。这种测试设备允许他们实时跟踪电池在使用时内部发生的情况。
他们发现这个孤立的锂岛根本没有“死亡”，而是对电池运行做出了反应。给电池充电时，岛慢慢向阴极移动；卸货时，它向相反的方向爬行。
“这就像一条非常缓慢的蠕虫，它把头向前一英寸，把尾巴拉进去，一纳米一纳米地移动，”崔说。在这种情况下，它通过在一端溶解，在另一端沉积材料来运输。如果我们能保持锂蠕虫的移动，它最终会接触阳极并重新建立电连接。”
延长寿命
科学家们用其他测试电池并通过计算机模拟验证的结果也证明了如何通过修改充电协议在真正的电池中回收孤立的锂。
“我们发现，在放电过程中，我们可以将分离的锂向阳极移动，在更高的电流下，这些移动更快，”刘说。“因此，我们在电池充电后立即增加了一个快速、大电流的放电步骤，这将隔离的锂移动了足够远，使其与阳极重新连接。这重新激活了锂，因此它可以参与电池的寿命。”
她补充说，“我们的发现对设计和开发更坚固的锂金属电池也有广泛的意义。”
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