分校领导的研究小组发现了锂金属电池故障的根本原因——锂金属沉积物在放电过程中从阳极表面脱落，并因“死亡”或不活跃的锂电池无法再次访问而被困。
这一发现发表在8月21日的《自然》杂志上，挑战了锂金属电池因锂阳极和电解质之间生长了一层(称为固体电解质中间相(SEI))而失效的传统观点。研究人员通过开发一种测量阳极上非活性锂含量的技术(这是电池研究领域的第一项技术)并研究其微观结构和纳米结构，找到了他们的发现。这些发现可以为将可充电锂金属电池从实验室推向市场铺平道路。
“通过找出锂金属电池失效的主要根源，我们可以合理地提出新的策略来解决问题，”第一作者方成成说，他是材料科学与工程博士。加州大学圣地亚哥分校的学生“我们的最终目标是实现商业上可行的锂金属电池。”
锂金属电池的阳极由锂金属制成，是下一代电池技术的重要组成部分。它们的能量密度是今天锂离子电池的两倍(阳极通常由石墨制成)，因此它们可以持续更长时间，重量更轻。这可能会使电动汽车的行驶里程增加一倍。
然而，锂金属电池的一个主要问题是库仑效率低，这意味着它们在停止工作之前将经历有限数量的循环。这是因为随着电池的循环，活性锂和电解液的储存容量会下降。
电池研究人员长期以来一直怀疑这是由于阳极和电解质之间的固体电解质界面(SEI)层的生长。然而，尽管研究人员已经开发了各种方法来控制和稳定SEI层，但他们仍然没有完全解决锂金属电池的问题，资深作者Y. Shirley Meng解释道，他是加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授。
“电池仍然会失效，因为在这些电池中形成了大量不活跃的锂电池。因此，另一个重要的方面被忽略了，”孟说。孟、方和他们的同事发现，罪魁祸首是锂金属沉积物，当电池放电时，这些沉积物会从阳极上脱落并被困在SEI层中。在那里，它们失去了与阳极的电连接，成为不活跃的锂，不能再在电池中循环。这种被捕获的锂是降低电池库仑效率的主要原因。
柱状微结构横截面的SEM图像，这导致了高库仑效率。图片来源：孟实验/非活性锂成分的自然测量
研究人员通过创造一种方法来测量未反应的锂金属如何被捕获为非活性锂，从而确定了罪魁祸首。将水加入含有在循环半电池上形成的非活性锂样品的密封烧瓶中。任何未反应的锂金属与水反应产生氢气。通过测量产生的气体量，研究人员可以计算出捕获的锂金属的含量。
非活性锂也由另一种成分组成：锂离子，它是SEI层的一种成分。它们的量也可以简单地通过从非活性锂的总量中减去未反应的锂金属的量来计算。在锂金属半电池的测试中，研究人员发现未反应的锂金属是不活泼锂的主要成分。形式越多，库仑效率越低。同时，来自SEI层的锂离子的量总是保持较低。这些结果是在八种不同的电解质中观察到的。
“这是一个重要的发现，因为它表明锂金属电池的主要故障产物是未反应的锂金属，而不是SEI，”方说。“这是一种可靠的方法，可以超高精度地量化非活性锂的两种成分，这是其他表征工具无法做到的。”
“锂金属的化学腐蚀性使得这项任务非常具有挑战性。许多不同类型的寄生反应同时发生在锂金属上，因此几乎不可能区分这些不同类型的非活性锂，”美国团队的康旭说。陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室提供了一种先进的电解质配方来测试这种方法。“这项工作中建立的先进方法提供了一个非常强大的工具，以准确可靠的方式完成这项工作。”
方成成使用了加州大学圣地亚哥分校的研究人员发明的一种技术来量化非活性锂。图片来源：David bail lot/加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院的研究人员希望他们的方法能够成为评估锂金属电池效率的新标准。
“电池研究人员面临的一个问题是，实验室的测试条件差异很大，因此很难比较数据。就像拿苹果和橘子比一样。”我们的方法允许研究人员在电化学测试后确定有多少非活性锂形成，无论他们使用什么类型的电解质或电池形式，”孟说。仔细看看不活跃的锂。
通过研究不同电解质中锂沉积物的微观结构和纳米结构，研究人员回答了另一个重要问题：为什么有些电解质可以提高库仑效率，而有些则不能。
答案与电池充电时锂在正极的沉积方式有关。一些电解质使锂形成微米和纳米结构，从而提高电池性能。例如，在蒙特梭利GM partners专门设计的电解液中，锂以致密柱状块的形式沉积。这种类型的结构导致较少的未反应的锂金属在放电期间作为非活性锂被捕获在SEI层中。结果是第一次循环的库仑效率为96%。
“这种优异的性能归功于集流体表面形成的柱状微结构，它具有最小的曲率，从而显著增强了结构连接，”通用汽车公司的团队Mei Cai说，他开发了先进的电解质，使锂能够沉积在“理想”的微结构上。相反，当使用商业碳酸盐电解质时，锂沉积具有扭曲的晶须状形态。在剥离过程中，这种结构导致更多的锂金属被捕获在SEI中。库仑效率降低到85%。
展望未来，团队提出了控制锂金属沉积和剥离的策略。这些包括在电极堆上施加压力；产生均匀的机械弹性SEI层；并使用三维集电器。“控制微结构和纳米结构是关键，”孟说。“我们希望我们的见解能够激发新的研究方向，并将可充电锂金属电池提升到一个新的水平。”