崔屹Nature：死“鋰”復生！電池循環期間死鋰的動態極化和空間運動

【研究背景】

對下一代儲能系統日益增長的需求需要開發高性能鋰電池。不幸的是，由于固體電解質界面和游離鋰（i-Li）的不斷產生，當前的鋰負極表現出快速的容量衰減和短的循環壽命。在大多數測試條件下，鋰枝晶不均勻溶解過程中形成的i-Li導致鋰電池的快速容量下降。由于i-Li與集流體失去電子接觸，因此在普遍認知中，它通常被認為沒有電化學活性，不會參與后續的電池反應。通過優化電解液化學、界面性質和電極結構來抑制“死鋰”的形成是目前研究的重點。雖然從工程角度來看已經取得了實質性的改進，但鋰離子的形成和積累仍然是大多數鋰電池容量損失的主要原因。研究發現，鋰離子的產生及其有害后果不僅限于鋰電池。鋰離子電池中的石墨負極在快速充電和過度充電時也會形成“死鋰”。

【成果簡介】

近日，美國斯坦福大學崔屹教授報道表明，由于i-Li對電解液中的電場具有動態極化，因此i-Li對電池操作具有高度響應性。鋰的沉積和溶解同時發生在鋰離子電池的兩端，導致鋰離子電池在充電（放電）過程中向正極（負極）方向發展。也就是說，在電解質的電場作用下，i-Li在電池運行期間會響應電化學過程，即仍然具有電化學活性，與大眾的普遍認知恰好相反！模擬結果表明，i-Li的生長速率主要受其長度、取向和外加電流密度的影響。此外，作者成功地證明了i-Li在Cu-Li電池中的回收率>100%庫侖效率，并實現了具有延長循環壽命的LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂(NMC)-Li全電池。該文章近日以題為“Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations”發表在知名頂刊Nature上。

【圖文導讀】

圖一、電場作用下i-Li的動態極化

圖二、i-Li島的形態演變和空間運動

圖三、紐扣電池中i-Li過電位的量化

圖四、紐扣電池放電過程中i-Li的移動與恢復

【全文總結】

在這項工作中，作者證明了由于電解液中存在電場，i-Li對電池操作具有高度響應性。i-Li的動態極化導致其在充電（放電）過程中向正極（負極）的空間進展。通過快速放電促進其向負極生長，作者進一步證明了Cu-Li和NMC-Li電池中孤立鋰的回收。該工作對i-Li的空間動態極化的機理探究，對未來鋰金屬電池的開發和實現鋰離子電池的極快充電均具有重要的指導意義。

文獻鏈接：Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations (Nature 2021, 600, 659–663)

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