崔屹Nature：死“锂”复生！电池循环期间死锂的动态极化和空间运动

【研究背景】

对下一代储能系统日益增长的需求需要开发高性能锂电池。不幸的是，由于固体电解质界面和游离锂（i-Li）的不断产生，当前的锂负极表现出快速的容量衰减和短的循环寿命。在大多数测试条件下，锂枝晶不均匀溶解过程中形成的i-Li导致锂电池的快速容量下降。由于i-Li与集流体失去电子接触，因此在普遍认知中，它通常被认为没有电化学活性，不会参与后续的电池反应。通过优化电解液化学、界面性质和电极结构来抑制“死锂”的形成是目前研究的重点。虽然从工程角度来看已经取得了实质性的改进，但锂离子的形成和积累仍然是大多数锂电池容量损失的主要原因。研究发现，锂离子的产生及其有害后果不仅限于锂电池。锂离子电池中的石墨负极在快速充电和过度充电时也会形成“死锂”。

【成果简介】

近日，美国斯坦福大学崔屹教授报道表明，由于i-Li对电解液中的电场具有动态极化，因此i-Li对电池操作具有高度响应性。锂的沉积和溶解同时发生在锂离子电池的两端，导致锂离子电池在充电（放电）过程中向正极（负极）方向发展。也就是说，在电解质的电场作用下，i-Li在电池运行期间会响应电化学过程，即仍然具有电化学活性，与大众的普遍认知恰好相反！模拟结果表明，i-Li的生长速率主要受其长度、取向和外加电流密度的影响。此外，作者成功地证明了i-Li在Cu-Li电池中的回收率>100%库仑效率，并实现了具有延长循环寿命的LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂(NMC)-Li全电池。该文章近日以题为“Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations”发表在知名顶刊Nature上。

【图文导读】

图一、电场作用下i-Li的动态极化

图二、i-Li岛的形态演变和空间运动

图三、纽扣电池中i-Li过电位的量化

图四、纽扣电池放电过程中i-Li的移动与恢复

【全文总结】

在这项工作中，作者证明了由于电解液中存在电场，i-Li对电池操作具有高度响应性。i-Li的动态极化导致其在充电（放电）过程中向正极（负极）的空间进展。通过快速放电促进其向负极生长，作者进一步证明了Cu-Li和NMC-Li电池中孤立锂的回收。该工作对i-Li的空间动态极化的机理探究，对未来锂金属电池的开发和实现锂离子电池的极快充电均具有重要的指导意义。

文献链接：Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations (Nature 2021, 600, 659–663)

本文由大兵哥供稿。

未经允许不得转载，授权事宜请联系kefu@cailiaoren.com。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP。