第一作者：方成成
通訊作者：孟穎 (Ying Shirley Meng)
通訊單位：加州大學(xué)圣地亞哥分校
鋰金屬負(fù)極亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題
鋰金屬是下一代高能量密度電池負(fù)極材料的終極解決方案。然而鋰金屬負(fù)極自身的重大缺陷導(dǎo)致其無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全的商業(yè)應(yīng)用：
1）在電池充電過(guò)程中，鋰金屬在電極上發(fā)生不均勻沉積，產(chǎn)生枝晶，易造成電池短路；
2）在放電過(guò)程中，“死鋰”的形成造成了鋰金屬電池極差的循環(huán)性能和巨大的安全隱患。
經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，鋰金屬負(fù)極的庫(kù)倫效率已得到大幅度提高，鋰枝晶的生長(zhǎng)得到有效抑制，然而距離達(dá)到安全商用的標(biāo)準(zhǔn)仍可望而不可及。其重要原因之一在于研究者們對(duì)死鋰的成分，性質(zhì)，和形成原因知之甚少。而當(dāng)前最先進(jìn)的表征手段仍然無(wú)法解釋死鋰的成分和形成的原因。
要突破技術(shù)瓶頸，需要通過(guò)發(fā)展新的表征技術(shù)對(duì)死鋰進(jìn)行精確的定量分析，并結(jié)合在不同電解液條件下形成的死鋰的微米和納米尺度的形貌分析，揭示形成死鋰的根本原因，從而理性地提出下一代鋰金屬電池的實(shí)現(xiàn)方案。
成果簡(jiǎn)介
有鑒于此，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UC San Diego）的Shirley Meng教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種精確定量死鋰的表征方法，Titration Gas Chromatography（TGC，滴定氣相色譜），用于測(cè)量形成固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）消耗的鋰離子的量 (Li+) 和未發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的金屬鋰的量(Li0) 。
圖1. TGC方法
要點(diǎn)1：高檢測(cè)精度顛覆鋰金屬容量衰減的傳統(tǒng)認(rèn)知
精確定量死鋰是找到鋰金屬負(fù)極失效機(jī)制的關(guān)鍵點(diǎn)，此方法巧妙的利用了死鋰成分的化學(xué)活性的不同，對(duì)鋰離子和金屬鋰進(jìn)行區(qū)分和定量。金屬態(tài)鋰和水發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氫氣產(chǎn)物。通過(guò)使用氣相色譜對(duì)氫氣進(jìn)行精確定量，從而計(jì)算出金屬鋰的量。這一方法對(duì)Li0的檢測(cè)精度高達(dá)10-7 克。
基于這個(gè)方法，他們深入研究了在八種常見(jiàn)電解液中生成的死鋰，揭示了造成鋰金屬容量衰減的主要原因是在電池循環(huán)過(guò)程中大量未發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的金屬鋰的堆積，而不是過(guò)去領(lǐng)域內(nèi)普遍認(rèn)為的形成SEI消耗的鋰，顛覆了傳統(tǒng)鋰電池界對(duì)于鋰金屬容量衰減的認(rèn)知。
圖2. 基于TGC方法對(duì)死鋰的定量分析
要點(diǎn)2：冷凍電鏡揭示死鋰成因
通過(guò)冷凍電子顯微鏡技術(shù)進(jìn)一步觀察在不同電解液中形成的死鋰的微米和納米尺度的形貌，他們發(fā)現(xiàn)電化學(xué)沉積的鋰金屬的微觀形貌和“結(jié)構(gòu)連續(xù)性”是影響死鋰生成的決定性因素。理想情況下，電化學(xué)沉積的鋰金屬應(yīng)該呈柱狀結(jié)構(gòu)，使金屬態(tài)的鋰在放電過(guò)程中始終保持與電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的緊密連接，最大程度減少金屬態(tài)死鋰的生成，從而減少容量衰減，提高循環(huán)效率。
圖3. 電化學(xué)沉積的鋰金屬的微觀形貌與死鋰的量的關(guān)系
小結(jié)
總之，TGC方法為電池領(lǐng)域提供了一個(gè)有效的檢測(cè)手段，將極大地加速鋰金屬負(fù)極的安全商業(yè)化。這個(gè)方法可以作為一個(gè)通用測(cè)試平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于評(píng)估提高鋰金屬性能的方法的有效性。此外，還可以廣泛應(yīng)用于硅負(fù)極，固態(tài)電解質(zhì)，以及其他金屬電池的失效機(jī)制的研究。同時(shí)，這個(gè)工作系統(tǒng)地揭示了死鋰的成分和成因，并提出了幾種加強(qiáng)“結(jié)構(gòu)連續(xù)性” 和減少死鋰生成的策略。
第一作者：方成成
2012年畢業(yè)于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位。2015年畢業(yè)于香港科技大學(xué)獲哲學(xué)碩士學(xué)位。2019年畢業(yè)于加州大學(xué)圣地亞哥分校獲材料學(xué)博士學(xué)位。研究方向?yàn)橄乱淮吣芰棵芏蠕囯x子，鋰金屬電池體系，研究范圍包括從原子尺度對(duì)正負(fù)極材料的觀測(cè)與理解，到宏觀尺度對(duì)電池的失效分析和性能優(yōu)化。
通訊作者：孟穎 (Ying Shirley Meng)
加州大學(xué)圣地亞哥分校能源科技Zable冠名講習(xí)教授，納米工程學(xué)院教授，UCSD可持續(xù)動(dòng)力與能源中心主任。主要從事能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存設(shè)備（鋰離子電池，鋰金屬電池，鋰空氣電池，鈉離子電池，全固態(tài)電池，太陽(yáng)能電池）的研究。在Science，Nature，Nature Energy等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文180余篇，被引用14000余次。
電池學(xué)術(shù)QQ交流2群：116212839
參考文獻(xiàn)：
1. Chengcheng Fang, Jinxing Li, Ying Shirley Meng et al. Quantifying inactive lithium in lithium metal batteries. Nature, 2019, 572, 511–515.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1481-z
2. C. Fang, Y.S. Meng, et al, “Key Issues Hindering aPractical Lithium Metal Battery”, Trends in Chemistry, 2019, 1, 152-158
