?。▓D源：UCSD官網(wǎng)）

　　據(jù)外媒報(bào)道，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn),，鋰金屬電池失效的根本原因在于：在電池放電過(guò)程中,，少量的金屬鋰沉積物在從負(fù)極表面脫落并被困住,，變成無(wú)法再使用的“死”或非活性鋰,。

　　這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)觀點(diǎn),，即鋰金屬電池失效是因?yàn)殇囏?fù)極和電解質(zhì)之間形成的固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI）。研究人員開發(fā)一種技術(shù),，測(cè)量負(fù)極上非活性鋰的數(shù)量,，并研究其微納米結(jié)構(gòu)，從而得出這一結(jié)論,。這在電池研究領(lǐng)域尚屬首次。這些發(fā)現(xiàn)或?qū)閷?shí)現(xiàn)可充電鋰金屬電池商業(yè)化鋪平道路,。

　　鋰金屬電池（由鋰金屬制成負(fù)極）是下一代電池技術(shù)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(fù)極）的兩倍。因此,，使用壽命更長(zhǎng),，重量更輕，可能使電動(dòng)汽車的續(xù)航里程增加一倍,。但是,，鋰金屬電池存在一個(gè)重要問(wèn)題，那就是庫(kù)侖效率低,，電池可循環(huán)次數(shù)有限,。這是因?yàn)樵谘h(huán)過(guò)程中,，電池中存儲(chǔ)的活性鋰和電解質(zhì)被消耗殆盡。

　　長(zhǎng)期以來(lái),，電池研究人員一直懷疑,，這是由于負(fù)極和電解質(zhì)之間形成的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）造成的。但是,，加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程學(xué)教授,、主要研究人員Y. Shirley Meng表示，盡管研究人員已經(jīng)開發(fā)出各種控制和穩(wěn)定SEI層的方法,，仍然無(wú)法徹底解決這一問(wèn)題,。“這些電池仍然會(huì)失效,，因?yàn)殡姵刂姓谛纬纱罅糠腔钚凿?。所以，?yīng)該還有一個(gè)重要的方面被忽視了,?！?/p>

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，鋰金屬電池失效的罪魁禍?zhǔn)资卿嚱饘俪练e,。當(dāng)電池放電時(shí),，鋰金屬沉積從負(fù)極脫落，然后被困在SEI層,，失去與負(fù)極的電連接,，變成不能參與電池循環(huán)的非活性鋰。這些被困住的鋰大大降低了電池的庫(kù)侖效率,。研究人員發(fā)明一種方法,，測(cè)量有多少未反應(yīng)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(huán)中形成的非活性鋰樣品。所有未反應(yīng)的金屬鋰都會(huì)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣,。通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生了多少氣體,，研究人員可以計(jì)算出被困金屬鋰的數(shù)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(yīng)的鋰金屬量,，來(lái)計(jì)算它們的數(shù)量,。

　　在對(duì)金屬鋰半電池的測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)未反應(yīng)的金屬鋰是非活性鋰的主要成分,。隨著它的形成,，庫(kù)侖效率逐漸降低,。與此同時(shí)，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(zhì)中,，可以觀察到這些結(jié)果?！斑@一發(fā)現(xiàn)很重要,。從中可以看出，鋰金屬電池的主要失效產(chǎn)物是未反應(yīng)的金屬鋰,，而不是SEI,，”研究人員Fang說(shuō)，“通過(guò)這種方法來(lái)量化活性鋰的兩種成分,，能達(dá)到超高精度,，得出值得信賴的結(jié)果。這是其他表征工具無(wú)法做到的,?！?/p>

　　“從化學(xué)性質(zhì)的角度，金屬鋰具有侵略性,，因此,，這項(xiàng)任務(wù)極具挑戰(zhàn)性。金屬鋰會(huì)同時(shí)發(fā)生許多不同類型的寄生反應(yīng),，幾乎無(wú)法將各種非活性鋰區(qū)分開來(lái),。”美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究員Kang Xu表示,，“這項(xiàng)研究帶來(lái)的先進(jìn)方法,，可提供非常強(qiáng)大的工具，以精確可靠的方式做到這一點(diǎn),?！盭u所在實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)為此項(xiàng)研究提供先進(jìn)的電解液配方。

　　研究人員希望他們的方法能夠成為評(píng)估鋰金屬電池效率的新標(biāo)準(zhǔn),。

　　通過(guò)研究不同電解質(zhì)中鋰沉積的微納米結(jié)構(gòu),，研究人員回答了另一個(gè)重要的問(wèn)題：為什么有些電解質(zhì)能提高庫(kù)侖效率，另一些卻不能,。

　　這與電池充電時(shí)鋰在負(fù)極上的沉積方式有關(guān)。在一些電解質(zhì)中,，鋰能形成微納米結(jié)構(gòu),，從而提高電池性能。例如,，在通用汽車研究人員特別設(shè)計(jì)的電解液中,，產(chǎn)生密集的柱狀塊狀鋰沉積,。在放電過(guò)程中，受益于這種結(jié)構(gòu),，作為非活躍鋰,、被困在SEI層中的未反應(yīng)金屬鋰較少。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,，第一次循環(huán)的庫(kù)侖效率為96%,。“這種優(yōu)異的性能歸功于電流收集器表面形成的柱狀微觀結(jié)構(gòu),，它的彎曲度最小,，大大增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)連接，”通用汽車全球研發(fā)中心的Mei Cai士說(shuō),。他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了先進(jìn)的電解質(zhì),，使鋰以“理想”的微觀結(jié)構(gòu)沉積。

　　相比之下,，使用商用碳酸鹽巖電解質(zhì)時(shí),，鋰沉積呈現(xiàn)出扭曲的、晶須狀形態(tài),。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致更多的鋰金屬在脫離過(guò)程中被困在SEI中,，庫(kù)侖效率降至85%。

　　接下來(lái),，研究小組提出控制金屬鋰沉積和脫離的方法,，包括對(duì)電極堆施壓、形成均勻且具有機(jī)械彈性的SEI層,、使用3D電流收集器,。“關(guān)鍵是控制微納米結(jié)構(gòu),，”Meng說(shuō),，“希望我們的發(fā)現(xiàn)能夠激發(fā)新的研究方向，推進(jìn)可充電鋰金屬電池的發(fā)展,?！?/p>