锂金属电极如何老魔宫战士化的第一个特写

First closeups of how a lithium-metal electrode ages SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家记录了一种称为日历老化的过程，即使在设备关闭的情况下，日历老化也会导致锂金属电池在短短24小时内失去2-3%的电量，并将其寿命缩短25%。这项研究表明，选择合适的电解质可以最大限度地减少导致老化的块状腐蚀。Credit: Greg Stewart/ SLAC国家加速器实验室即使在手机关机的情况下，同样的过程也会耗尽手机电池，这对于锂金属电池来说是一个更大的问题，这种电池正被开发用于下一代更小、更轻的电子设备、远程电动汽车和其他用途。现在，斯坦福大学和能源部SLAC国家加速实验室的科学家们首次从原子尺度上研究了这个被称为“日历老化”的过程是如何攻击锂金属阳极或负电极的。他们发现，在电极之间携带电荷的电池电解液的性质对老化有很大影响——这是开发最大限度提高电池性能的电解液时需要考虑的因素。

该研究还揭示，日历老化会在短短24小时内耗尽锂金属电池2-3%的电量——这一损失在锂离子电池中需要三年时间。虽然这种电荷渗透会随着时间的推移而变慢，但它会迅速累积，并会使电池寿命缩短25%。

“我们的研究表明，电解液对蓄电池的稳定性有很大的影响，”SLAC和斯坦福大学教授崔屹说，他们与斯坦福大学教授甄安宝一起领导了这项研究。“这是人们还没有真正花时间去观察或利用的东西，以此来了解正在发生的事情。”

研究小组今天在《自然能源》上描述了他们的结果。

远途汽车用更轻的电池

像今天的锂离子电池一样，锂金属电池使用锂离子在电极之间来回运送电荷。但是，当锂离子电池的阳极由石墨制成时，锂金属电池的阳极由锂金属制成，锂金属重量轻得多，在给定的体积和重量下，有可能储存更多的能量。这对于电动汽车来说尤其重要，因为电动汽车需要花费大量的能量来搬运沉重的电池。减轻他们的负担可以降低他们的成本，增加他们的行驶里程，使他们更吸引消费者。

First closeups of how a lithium-metal electrode ages 下一代锂金属电池会经历快速的日历老化，即使在不使用时也会耗尽电池，并削弱其存储能量的能力。当电池电解液腐蚀锂金属阳极颗粒(左上)或充电过程中在阳极上形成的锂金属细丝(右上)时，就会发生这种情况。腐蚀产生了一层不规则的团块，称为SEI(左下方和右下方)。SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的一项研究发现，一些电解质比其他电解质引起更多的这种破坏性腐蚀模式。信用:王红霞/斯坦福大学美国能源部的电池500联盟，包括SLAC和斯坦福，有一个目标，为电动汽车开发锂金属电池，每单位重量可以储存几乎三倍于今天电动汽车电池的电量。虽然他们在提高这些电池的能量密度和寿命方面取得了很大进展，但他们还有很长的路要走。他们还在努力解决树突的问题，树突是阳极上手指状的生长物，会使电池短路并着火。

在过去的几年里，斯坦福材料与能源科学研究所的研究员鲍和崔合作寻找这些问题的解决方案，包括防止锂金属阳极上枝晶生长的新涂层和防止枝晶生长的新电解液。

崔实验室的博士生大卫·博伊尔(David Boyle)说，大多数这样的研究都集中在最大限度地减少重复充电和放电造成的损害，重复充电和放电会使电极变形和破裂，并限制电池的工作寿命。

但是在这项研究中，他说，研究小组想测试各种不同化学成分的电解质，以大致了解锂金属阳极是如何老化的。

侵蚀性腐蚀

首先，博伊尔测量了含有各种电解质的锂金属电池的充电效率。然后，他和他的博士生同事威廉·黄(William H uang)小心地拆除了已经充满电并放置了一天的电池，取出阳极并将其在液氮中快速冷冻，以在日历老化过程的特定点保持其结构和化学性质。

接下来，黄在斯坦福大学校园里用低温电子显微镜(cryo-EM)检查了阳极，以观察各种电解质如何在接近原子尺度上影响阳极。这是崔的团队几年前首创的一种观察电池组件内部寿命的方法。

First closeups of how a lithium-metal electrode ages 每次锂金属电池充电时，都会在其阳极上沉积一层新的锂金属。电池的电解液会腐蚀这种新鲜金属(左)，在阳极表面形成一层叫做SEI的层。根据斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的一项研究，即使在电池关闭后，腐蚀仍在继续(右)，SEI层在一个称为日历老化的过程中变得不规则和结块，该过程可以在短短24小时内耗尽电池2-3%的电量。这些图像是用低温电子显微镜拍摄的。信用:黄诗煊/斯坦福大学在今天的锂离子电池中，电解质腐蚀阳极表面，形成一层叫做固体电解质界面，或SEI。这一层既是哲基尔又是海德:它消耗了少量的电池容量，但也保护了阳极免受进一步的腐蚀。因此，总的来说，一个平滑、稳定的SEI层对电池功能有好处。