由美國加州大學(xué)圣迭戈分校領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了鋰金屬電池失效的根本原因——放電過程中鋰金屬沉積物從負(fù)極表面脫落，成為電池?zé)o法再利用的“死亡”或惰性鋰。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于2019年8月21日的《自然》雜志上，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，即鋰金屬電池的失效是因?yàn)樵阡囯姌O和電解質(zhì)之間形成一層被稱為固體電解質(zhì)膜(SEI)的物質(zhì)。

研究人員通過開發(fā)一種測量不活躍的沉積鋰的數(shù)量的技術(shù)(這是電池研究領(lǐng)域的首次應(yīng)用)來研究鋰電池失效的元兇，該方法是利用水與沉積金屬鋰反應(yīng)并放出氫氣的原理，測量氫氣的數(shù)量而算出沉積鋰的數(shù)量。沉積鋰金屬可能含有其他成分，如鋰離子，通過換算，也可以求出不活潑鋰的數(shù)量，研究人同時研究了它們的微觀和納米結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)或許為可充電鋰金屬電池從實(shí)驗(yàn)室走向市場鋪平道路。加州大學(xué)圣迭戈分校材料科學(xué)與工程博士、第一作者房程程表示：“通過找出鋰金屬電池失效的重要原因，我們可以合理地提出解決這個問題的新策略”。他們期望未來的能量密度是目前鋰離子電池(通常由石墨制成的負(fù)極)的兩倍，因此它們的壽命更長，重量也更輕，可能會使電動汽車的行駛里程增加一倍。但是，鋰金屬電池的主要問題是庫侖效率低，這意味著電池在淘汰之前經(jīng)歷有限充電循環(huán)。這是因?yàn)殡S著電池循環(huán)，其活性鋰被封存起來，并耗盡了電解質(zhì)。電池研究人員長期以來一直懷疑這是因?yàn)樾纬闪穗姌O和電解質(zhì)之間的固體電解質(zhì)膜(SEI)的緣故。

加州大學(xué)圣迭戈分校的納米工程學(xué)院資深作者Shirley Meng教授表示，盡管研究人員開發(fā)了各種控制和穩(wěn)定SEI層的方法，但是他們?nèi)匀粵]有完全解決鋰金屬電池的問題。因?yàn)樵谶@些電池中形成了許多惰性鋰，因此電池仍然會失效。所以某些重要方面被忽視了。 Shirley Meng及其同事發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池放電時，從負(fù)極剝落下來的鋰金屬沉積物是罪魁禍?zhǔn)祝缓蟊粐赟EI層中。由此，它們不再與負(fù)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，成為不再參與電池循環(huán)的惰性鋰。這種被捕獲的鋰在很大程度上降低了電池的庫侖效率。

通過已建立的一種測量有多少非活性鋰金屬被俘獲的方法，在壽命過半的鋰金屬電池試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)未反應(yīng)的鋰金屬是非活性鋰的主要成分，其數(shù)量越多，庫侖效率就越低。同時，來自SEI層的鋰離子的數(shù)量始終保持在低水平。在8種不同的電解質(zhì)中都觀察到這些結(jié)果。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，這表明金屬鋰電池失效的主要原因是未反應(yīng)的金屬鋰，而不是SEI。

該研究團(tuán)隊(duì)還提出了控制沉積并剝離鋰金屬的策略，包括對電極堆施加壓力、形成均勻且具有機(jī)械彈性的SEI層以及采用3D電流集電器等。