純鋰金屬或可成為目前電動(dòng)汽車電池中使用的石墨負(fù)極的替代品。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，純鋰金屬可以極大地減輕電池重量并顯著延長電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。但在用于汽車之前，科學(xué)家們需要首先明白如何延長鋰金屬電池的壽命。

據(jù)外媒報(bào)道，由美國能源部（DOE）布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）和石溪大學(xué)（Stony Brook University）的化學(xué)家Peter Khalifah領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究，跟蹤了電池陽極在循環(huán)過程中鋰金屬的沉積和去除，以尋找相關(guān)故障發(fā)生方式的秘密。

Khalifah表示：“一個(gè)好電池的鋰電鍍（沉積）和剝離（去除）的速率在電極表面的所有位置都是相同的。而研究結(jié)果表明，在某些地方去除鋰非常困難，這表明該位置存在問題。通過找出問題原因，我們可以弄清楚如何解決問題，并制造出容量更高、壽命更長的電池?！?/p>

在美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的美國能源部科學(xué)辦公室Advanced Photon Source，Khalifah及其合作者使用強(qiáng)X射線進(jìn)行了這項(xiàng)研究。他們成功跟蹤鋰在一個(gè)完整的充放電循環(huán)中從陰極穿梭到陽極并返回的過程。

Khalifah表示：“X射線可以直接穿透電池，因此可以快速地進(jìn)行多次測量，以跟蹤電池變化時(shí)發(fā)生的情況。據(jù)悉，目前還沒有人能夠在鋰穿梭發(fā)生時(shí)使用X射線來繪制路徑?！?/p>

面臨的挑戰(zhàn)之一是使用X射線很難看到鋰原子。在陰極和陽極之間移動(dòng)的少量鋰原子發(fā)出的微弱信號(hào)很容易被電池其他材料發(fā)出的更強(qiáng)信號(hào)所掩蓋，包括來自純鋰金屬陽極上大量鋰的信號(hào)。

為了解決上述問題，Khalifah的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種使用“裸”陽極的電池，當(dāng)然這個(gè)裸是相對(duì)于預(yù)先存在的鋰而言。因此穿梭鋰離子的信號(hào)更容易測量。隨后，研究人員對(duì)兩種不同陽極材料銅和鉬進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在這些電池運(yùn)行期間，鋰離子從陰極材料中提取出來后會(huì)以純鋰金屬的形式沉積在這些材料上。因此研究人員能夠跟蹤一致的鋰金屬是如何添加及移除到陽極表面的。通過比較使用銅和鉬陽極的過程，研究人員也可確定這兩種金屬間的差異，從容有益于設(shè)計(jì)改進(jìn)的電池。通過試驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)繪制出在電池在充放電各個(gè)階段時(shí)電極上鋰的含量。

收集包含數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的地圖大約需要一個(gè)小時(shí)。該映射數(shù)據(jù)可用于識(shí)別因電池充放電而發(fā)生的變化，但數(shù)據(jù)收集過程太慢，無法用于跟蹤發(fā)生的變化。因此，科學(xué)家們使用一種更快速的數(shù)據(jù)收集程序，在電池循環(huán)期間多次掃描10個(gè)像素特定位置。

Khalifah表示：“首先，我們在電池處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)制作地圖，從零容量開始，然后在充電至一半容量時(shí)進(jìn)行像素測量。然后停止充電并制作另一張地圖，然后在充電至滿容量時(shí)恢復(fù)特定像素的測量。接下來，我們在繼續(xù)交替映射和像素掃描的同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行放電，在半放電和完全放電時(shí)也會(huì)停下來收集地圖?！?/p>

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，銅陽極在充電過程中的所有點(diǎn)都表現(xiàn)良好：一半鋰容量在陽極上沉積到半充電狀態(tài)，且所有可能的鋰在完全充電狀態(tài)下沉積。

放電時(shí)，像素之間出現(xiàn)較大差異。在某些像素中，鋰的去除與放電成正比（一半鋰在半放電狀態(tài)下被剝離，而在完全放電時(shí)又全部消失）。其他像素在鋰去除方面表現(xiàn)滯后，其中在放電的前半部分剝離緩慢，然后通過完全放電加速以完成該過程。在其他地方，滯后非常嚴(yán)重，即使電池完全放電，大部分鋰仍留在陽極上。

Khalifah表示：“一旦留鋰下，就會(huì)降低電池的容量。每留下一個(gè)鋰原子，就意味著少一個(gè)電子流過由電池供電的外部電路，從而無法提取電池的所有容量?！?/p>

由于鋰的不完全剝離使得電池出現(xiàn)異常的發(fā)現(xiàn)震驚了科學(xué)界，因?yàn)橹暗脑S多科學(xué)家都認(rèn)為鋰鍍層是導(dǎo)致鋰金屬電池產(chǎn)生問題的根源。

Khalifah解釋：“一般來說，人們認(rèn)為鋰金屬沉積會(huì)更加困難，因?yàn)樵颖仨毎凑者@種金屬晶體結(jié)構(gòu)的特定排列進(jìn)行組織。而去除鋰應(yīng)該較容易，因?yàn)楸砻嫔系娜魏卧佣伎梢员粠ё撸鵁o需遵循任何特定的模式。此外，如果鋰的添加速度比原子在表面上均勻沉積的速度更快，則會(huì)產(chǎn)生針狀樹突，從而可能會(huì)引起電池短路（并可能起火）。”鉬陽極在電鍍過程中比銅的變化更多，但在剝離過程中變化較小。

Khalifah表示：“由于在剝離過程中鋰表現(xiàn)更好，因此陽極還出現(xiàn)最大的整體不規(guī)則性，這意味著使用鉬箔基板而非銅基板的電池可能會(huì)產(chǎn)生更高容量的電池?！?/p>

然而，科學(xué)家尚不清楚金屬選擇是否影響鉬陽極的性能。另一個(gè)影響因素可能是電解質(zhì)的分布，即鋰離子在陽極和陰極之間穿梭的液體。

該測繪數(shù)據(jù)顯示，性能不佳的區(qū)域出現(xiàn)在約5毫米寬的點(diǎn)上。這些斑點(diǎn)的大小和形狀以及與其他實(shí)驗(yàn)的比較表明，液體電解質(zhì)在整個(gè)電池單元中的不良擴(kuò)散可能是造成這些區(qū)域局部容量損失的原因。Khalifah稱，若事實(shí)如此，那么通過采用其他在陰極上分配電解質(zhì)的更佳方式，電池性能可獲得提高。

Khalifah表示：“后續(xù)的試驗(yàn)旨在區(qū)分金屬和溶劑效應(yīng)，以及測試策略有效性，以緩解電解質(zhì)不均勻等潛在問題，從而助力推進(jìn)開發(fā)長壽命、高容量鋰金屬負(fù)極電池?！?/p>

來源：上海錦町新材料科技整理自網(wǎng)絡(luò)

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