研究人員探討鋰金屬電極老化概況

即使手機關機，電池最終也會沒電。長途電動汽車使用的鋰金屬池也存在同樣的問題。據國外媒體報道，來自斯坦福大學和美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家首次在原子水平上觀察到這種被稱為“日歷老化”的過程是如何攻擊鋰金屬負極的。研究人員發現，在電池的老化過程中，兩個電極之間帶電荷的電解液有很大的影響。

(來源:SLAC)

研究表明，在短短24小時后，儲存老化可以消耗鋰金屬電池2-3%的電量。在鋰離子電池中，需要三年時間。雖然這種電荷流失的現象會逐漸減緩，但可能會縮短25%的電池壽命。斯坦福大學教授SLAC和崔屹說:“我們的研究表明，電解液對蓄電池的穩定性有很大影響。”

像鋰離子電池一樣，鋰金屬電池通過鋰離子在電極之間來回傳輸電荷。然而，鋰離子電池的陰極是由石墨制成的，而鋰金屬電池的陰極是由鋰金屬制成的。相比之下，鋰金屬電池要輕得多，在給定的體積和重量下，有可能儲存更多的能量。對于電動汽車來說，這意義重大，有助于降低成本，增加續航里程。

下一代鋰金屬電池會經歷快速的儲存老化，即使不使用電池也會電量耗盡，降低儲能能力。

美國能源部電池500聯盟(包括SLAC和斯坦福)的目標是開發可用于電動汽車的鋰金屬電池，使其重量和能量密度約為現有電池的三倍。他們在提高電池的能量密度和壽命方面取得了很大進展，但仍有許多問題有待解決，如負極上的枝晶生長，可能導致電池短路和起火。

在過去的幾年里，研究人員一直在尋找這些問題的解決方案，包括一種防止鋰金屬陽極枝晶生長的新涂層和一種防止枝晶生長的新電解質。研究人員大衛·博伊爾(David Boyle)表示，這方面的研究大多集中在如何減少反復充放電帶來的損害，因為反復充放電會導致電極產生應變和裂紋，從而影響電池的工作壽命。在這項研究中，研究小組希望通過測試各種不同化學成分的電解液，了解鋰金屬陽極老化的大致情況。

首先，Boyle測量了不同電解質的鋰金屬電池的充電效率。然后，研究人員小心翼翼地拆卸充滿電的電池，讓它靜置一天，然后取出負極，迅速冷凍在液氮中，以保存它在儲存老化過程中特定時間的結構和化學成分。接下來，使用低溫電子顯微鏡(Cryo-EM)檢測負電極，從而在原子尺度上觀察各種電解質對負電極的影響。這是幾年前崔團隊首創的一種研究電池組件內部活動狀態的方法。

鋰金屬電池每次充電，負極上會沉積一層新的鋰金屬。電解質會腐蝕這個新的金屬表面(左)，在負極表面形成一層SEI層。研究表明，即使不使用電池，腐蝕仍在繼續(右圖)，儲存老化后，SEI層變得不規則，結塊。

在目前的鋰離子電池中，由于電解液腐蝕，會在負極表面形成一層固體電解質界面膜(SEI)，會消耗少量的電池容量，但可以保護負極不被進一步腐蝕。一般來說，光滑穩定的SEI層有利于電池的正常工作。然而，當鋰金屬電池充電時，負極表面會沉積一層薄薄的鋰金屬，為儲存老化過程中的腐蝕提供了新的表面。在測試過程中，每一種電解質都會導致一種獨特的SEI生長模式，其中一些模式會……形成塊或膜，或兩者。這些不規則的生長模式與加速的腐蝕速率和充電效率的損失有關。

事與愿違，和性能不佳的電解液一樣，原本支持高效充電的電解液也會因為儲存老化而效率低下。因此，為了最大限度地減少儲存老化現象，挑戰在于最大限度地減少電解質的腐蝕和負極表面鋰金屬的腐蝕。研究人員說:“真正重要的是，我們有了一種研究電解質的新方法。這為獲得下一代電池技術所需的參數提出了新的電解液設計準則。”即使手機關機，電池最終也會沒電。長途電動汽車使用的鋰金屬池也存在同樣的問題。據國外媒體報道，來自斯坦福大學和美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家首次在原子水平上觀察到這種被稱為“日歷老化”的過程是如何攻擊鋰金屬負極的。研究人員發現，在電池的老化過程中，兩個電極之間帶電荷的電解液有很大的影響。

(來源:SLAC)

研究表明，在短短24小時后，儲存老化可以消耗鋰金屬電池2-3%的電量。在鋰離子電池中，需要三年時間。雖然這種電荷流失的現象會逐漸減緩，但可能會縮短25%的電池壽命。斯坦福大學教授SLAC和崔屹說:“我們的研究表明，電解液對蓄電池的穩定性有很大影響。”

像鋰離子電池一樣，鋰金屬電池通過鋰離子在電極之間來回傳輸電荷。然而，鋰離子電池的陰極是由石墨制成的，而鋰金屬電池的陰極是由鋰金屬制成的。相比之下，鋰金屬電池要輕得多，在給定的體積和重量下，有可能儲存更多的能量。對于電動汽車來說，這意義重大，有助于降低成本，增加續航里程。

下一代鋰金屬電池會經歷快速的儲存老化，即使不使用電池也會電量耗盡，降低儲能能力。

美國能源部電池500聯盟(包括SLAC和斯坦福)的目標是開發可用于電動汽車的鋰金屬電池，使其重量和能量密度約為現有電池的三倍。他們在提高電池的能量密度和壽命方面取得了很大進展，但仍有許多問題有待解決，如負極上的枝晶生長，可能導致電池短路和起火。

在過去的幾年里，研究人員一直在尋找這些問題的解決方案，包括一種防止鋰金屬陽極枝晶生長的新涂層和一種防止枝晶生長的新電解質。研究人員大衛·博伊爾(David Boyle)表示，這方面的研究大多集中在如何減少反復充放電帶來的損害，因為反復充放電會導致電極產生應變和裂紋，從而影響電池的工作壽命。在這項研究中，研究小組希望通過測試各種不同化學成分的電解液，了解鋰金屬陽極老化的大致情況。

首先，Boyle測量了不同電解質的鋰金屬電池的充電效率。然后，研究人員小心翼翼地拆卸充滿電的電池，讓它靜置一天，然后取出負極，迅速冷凍在液氮中，以保存它在儲存老化過程中特定時間的結構和化學成分。接下來，使用低溫電子顯微鏡(Cryo-EM)檢測負電極，從而在原子尺度上觀察各種電解質對負電極的影響。這是幾年前崔團隊首創的一種研究電池組件內部活動狀態的方法。

鋰金屬電池每次充電，負極上會沉積一層新的鋰金屬。電解質會腐蝕這個新的金屬表面(左)，在負極表面形成一層SEI層。研究表明，即使不使用電池，腐蝕c……連續(右)，儲存老化后，SEI層變得不規則和結塊。

在目前的鋰離子電池中，由于電解液腐蝕，會在負極表面形成一層固體電解質界面膜(SEI)，會消耗少量的電池容量，但可以保護負極不被進一步腐蝕。一般來說，光滑穩定的SEI層有利于電池的正常工作。然而，當鋰金屬電池充電時，負極表面會沉積一層薄薄的鋰金屬，為儲存老化過程中的腐蝕提供了新的表面。在測試過程中，每種電解質都會導致一種獨特的SEI生長模式，其中一些會形成塊狀或薄膜，或者兩者兼而有之。這些不規則的生長模式與加速的腐蝕速率和充電效率的損失有關。

事與愿違，和性能不佳的電解液一樣，原本支持高效充電的電解液也會因為儲存老化而效率低下。因此，為了最大限度地減少儲存老化現象，挑戰在于最大限度地減少電解質的腐蝕和負極表面鋰金屬的腐蝕。研究人員說:“真正重要的是，我們有了一種研究電解質的新方法。這為獲得下一代電池技術所需的參數提出了新的電解液設計準則。”

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