DOE揭秘电池阳极中锂金属的秘密 以延长电池寿命

纯锂金属或可成为目前电动汽车电池中使用的石墨负极的替代品。相对于现有技术，纯锂金属可以极大地减轻电池重量并显著延长电动汽车的续航里程。但在用于汽车之前，科学家们需要首先明白如何延长锂金属电池的寿命。

据外媒报道，由美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）和石溪大学（Stony Brook University）的化学家Peter Khalifah领导的一项新研究，跟踪了电池阳极在循环过程中锂金属的沉积和去除，以寻找相关故障发生方式的秘密。

Khalifah表示：“一个好电池的锂电镀（沉积）和剥离（去除）的速率在电极表面的所有位置都是相同的。而研究结果表明，在某些地方去除锂非常困难，这表明该位置存在问题。通过找出问题原因，我们可以弄清楚如何解决问题，并制造出容量更高、寿命更长的电池。”

（图片来源：布鲁克海文国家实验室）

在美国能源部阿贡国家实验室的美国能源部科学办公室Advanced Photon Source，Khalifah及其合作者使用强X射线进行了这项研究。他们成功跟踪锂在一个完整的充放电循环中从阴极穿梭到阳极并返回的过程。

Khalifah表示：“X射线可以直接穿透电池，因此可以快速地进行多次测量，以跟踪电池变化时发生的情况。据悉，目前还没有人能够在锂穿梭发生时使用X射线来绘制路径。”

面临的挑战之一是使用X射线很难看到锂原子。在阴极和阳极之间移动的少量锂原子发出的微弱信号很容易被电池其他材料发出的更强信号所掩盖，包括来自纯锂金属阳极上大量锂的信号。

为了解决上述问题，Khalifah的研究团队设计出一种使用“裸”阳极的电池，当然这个裸是相对于预先存在的锂而言。因此穿梭锂离子的信号更容易测量。随后，研究人员对两种不同阳极材料铜和钼进行比较，发现在这些电池运行期间，锂离子从阴极材料中提取出来后会以纯锂金属的形式沉积在这些材料上。因此研究人员能够跟踪一致的锂金属是如何添加及移除到阳极表面的。通过比较使用铜和钼阳极的过程，研究人员也可确定这两种金属间的差异，从容有益于设计改进的电池。通过试验，该团队绘制出在电池在充放电各个阶段时电极上锂的含量。

收集包含数百个数据点的地图大约需要一个小时。该映射数据可用于识别因电池充放电而发生的变化，但数据收集过程太慢，无法用于跟踪发生的变化。因此，科学家们使用一种更快速的数据收集程序，在电池循环期间多次扫描10个像素特定位置。

Khalifah表示：“首先，我们在电池处于静止状态时制作地图，从零容量开始，然后在充电至一半容量时进行像素测量。然后停止充电并制作另一张地图，然后在充电至满容量时恢复特定像素的测量。接下来，我们在继续交替映射和像素扫描的同时对电池进行放电，在半放电和完全放电时也会停下来收集地图。”

实验结果

结果表明，铜阳极在充电过程中的所有点都表现良好：一半锂容量在阳极上沉积到半充电状态，且所有可能的锂在完全充电状态下沉积。

放电时，像素之间出现较大差异。在某些像素中，锂的去除与放电成正比（一半锂在半放电状态下被剥离，而在完全放电时又全部消失）。其他像素在锂去除方面表现滞后，其中在放电的前半部分剥离缓慢，然后通过完全放电加速以完成该过程。在其他地方，滞后非常严重，即使电池完全放电，大部分锂仍留在阳极上。

Khalifah表示：“一旦留锂下，就会降低电池的容量。每留下一个锂原子，就意味着少一个电子流过由电池供电的外部电路，从而无法提取电池的所有容量。”

由于锂的不完全剥离使得电池出现异常的发现震惊了科学界，因为之前的许多科学家都认为锂镀层是导致锂金属电池产生问题的根源。

Khalifah解释：“一般来说，人们认为锂金属沉积会更加困难，因为原子必须按照这种金属晶体结构的特定排列进行组织。而去除锂应该较容易，因为表面上的任何原子都可以被带走，而无需遵循任何特定的模式。此外，如果锂的添加速度比原子在表面上均匀沉积的速度更快，则会产生针状树突，从而可能会引起电池短路（并可能起火）。”钼阳极在电镀过程中比铜的变化更多，但在剥离过程中变化较小。

Khalifah表示：“由于在剥离过程中锂表现更好，因此阳极还出现最大的整体不规则性，这意味着使用钼箔基板而非铜基板的电池可能会产生更高容量的电池。”

然而，科学家尚不清楚金属选择是否影响钼阳极的性能。另一个影响因素可能是电解质的分布，即锂离子在阳极和阴极之间穿梭的液体。

该测绘数据显示，性能不佳的区域出现在约5毫米宽的点上。这些斑点的大小和形状以及与其他实验的比较表明，液体电解质在整个电池单元中的不良扩散可能是造成这些区域局部容量损失的原因。Khalifah称，若事实如此，那么通过采用其他在阴极上分配电解质的更佳方式，电池性能可获得提高。

Khalifah表示：“后续的试验旨在区分金属和溶剂效应，以及测试策略有效性，以缓解电解质不均匀等潜在问题，从而助力推进开发长寿命、高容量锂金属负极电池。”