一项研讨找到了锂金属电池功率下降的一个重要原因，对过去的理论提出了应战，并为研制更高效的锂电池带来了启示。
对非活性锂样本加入水。图片来历：David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
来历 加利福尼亚大学圣迭戈分校
翻译 王尚洁
修改 戚译引
加利福尼亚大学圣迭戈分校（USCD）领导的一个研讨团队发现了构成锂金属电池毛病的根本原因：锂金属堆积物在放电进程中从阳极外表掉落，掉落部分呈“逝世”状况，锂失掉活性，导致电池无法运用。
研讨论文宣布在 8 月 21 日的《天然》期刊上，对解说锂电池毛病的传统理论提出了应战。传统理论以为，锂电池发作毛病是由于在运用期间，锂阳极和电解液之间会构成一层膜，称为固体电解质界面（SEI）。研讨人员开发了一种新的丈量技能，可丈量阳极失掉活性的锂金属量——这是榜首次在电池范畴运用该技能，一起也研讨了掉落堆积物的微米和纳米标准结构。
这项发现或将为可充电锂金属电池市场化的推动打下根底。
论文榜首作者、来自 UCSD 的材料科学与工程博士生方成成（Chengcheng Fang）标明：“找到导致锂金属电池毛病的首要潜在要素之后，咱们就可以提出一个新的合理的处理办法。咱们终究的方针是完结锂金属电池的商业化。”
锂金属电池的阳极运用锂金属制成，是下一代电池技能的要害。锂金属电池可以供给现代锂离子电池（电池的阳极用石墨制成）两倍的能量密度，因而它们可以完结更长的寿数和更轻的分量。这项技能或许可以使电动汽车的续航路程增加一倍。
但锂金属电池存在一个首要问题，便是库伦功率低，这意味着它们的循环运用次数是有限的。这是由于跟着电池的循环运用，它内部的活性金属锂和电解质将被耗尽。
长期以来，这个范畴的研讨人员猜想发作上述现象的原因是在电池阳极和电解质之间发作了 SEI 膜。而加利福尼亚大学圣迭戈分校纳米工程教授、论文资深作者孟颖（Y.Shirley Meng）以为，虽然研讨人员现已开宣布许多操控 SEI 层生成或使其安稳的办法，但这仍无法彻底处理锂金属电池毛病的问题。
“电池仍然会发作毛病，这是由于它们内部发作了许多非活性锂，这是另一个被忽视的重要要素，”孟说道。
孟、方和搭档们发现，锂金属电池发作毛病的原因是在电池放电进程中，电池阳极的锂金属堆积物掉落，被困在 SEI 层。在这个进程中，锂金属失掉与电池正极的衔接，然后失掉活性，不再参加电池内的循环。这些被困住的非活性锂是构成电池库伦功率低下的重要原因。
测定非活性锂成分
研讨人员开发了一种新办法，来丈量有多少锂金属变成了非活性锂，不再参加反响。他们从一块经过充放电的半电池中得到非活性锂样本，将其装进关闭烧瓶，然后加入水。未反响的锂金属都会在水中发作化学反响，发作氢气，因而经过丈量发作的氢气量，研讨人员可以核算得到 SEI 膜中未反响锂金属的含量。
非活性锂还包含另一种成分——锂离子，它们是 SEI 膜的根本组成部分。锂离子的量可以从非活性锂的总量减去未反响的锂金属的量来简略核算。
在上述的锂金属半电池实验中，研讨人员发现非活性锂首要由未反响的锂金属组成。非活性锂构成越多，电池的库伦功率越低。与此一起，SEI 膜锂离子的量一直很低。研讨人员在 8 种不同的电解质中调查到了相同的定论。
方指出：“上述定论标明锂金属电池发作毛病的首要原因是未反响的锂金属，而不是 SEI 膜，这是一个重要的发现。上述办法准确量化丈量非活性锂的两种组成部分，精度十分高，这是其他参数东西无法做到的。”
方成成运用 UCSD 研讨人员开发的一种办法，定量测定非活性锂。图片来历：David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
美国陆军作战才能开展司令部（Combat Capabilities Development Command，CDDC）陆军研讨实验室（Army Research Laboratory）团队的许康（Kang Xu）指出：“锂金属的活泼性质使这项作业具有很大应战，它可以一起发作许多不同的化学反响，让人很难区别不同类型的非活性锂。”他的实验室供给了一种先进的电解质配方，以便测验这个办法，“该办法可以准确完结这项作业，是强壮有用、可以信赖的”，他说。
研讨人员期望他们的办法可以成为评价锂金属电池功率的新标准。
孟说：“电池研讨人员面对的问题之一便是实验室的测验条件各不相同，因而很难将数据进行比照，就像是比较苹果和橘子相同。咱们的办法可以使研讨人员不管运用什么类型的电解液、什么标准的电池，都可以确认电化学实验后发作了多少的非活性锂。”
近距离调查非活性锂
经过研讨不同电解质中锂堆积物的微米和纳米标准结构，研讨人员答复了另一个重要的问题：为什么有些电解质可以提高库伦功率，但是有些不能。
这个问题的答案与电池充电时锂在阳极的堆积进程有关。一些电解质会构成促进电池功能的微结构和纳结构。例如，由孟在通用汽车（General Motors）的合作者专门规划的一种电解液可以让锂堆积为密布的柱状。在电池放电进程中，这种结构可以削减未反响锂金属进入 SEI 膜，成为非活性锂。因而，这种电解液可以使榜首次循环的库伦功率变为 96%。
通用汽车团队的 Mei Cai 标明：“这个超卓的功能归功于在集电器外表，锂金属堆积构成具有最小弯曲度的柱状微结构，这一特征明显增强了结构衔接。”一起该团队开发了先进的电解液，使锂的堆积可以出现“抱负”的微结构。
柱状微结构的扫描电子显微镜（SEM）相片，这样的结构能使电池具有更高的库伦功率。图片来历：Meng lab/Nature
与此相反，当运用商业化的碳酸盐电解质时，锂的堆积具有歪曲的晶须状形状。这个结构类型使更多的锂金属别离进入 SEI 膜，库伦功率下降到 85%。
接下来，这个团队提出了操控金属锂堆积和掉落的办法。这些办法包含对电极堆施加压力、使生成均匀而具有机械弹性的 SEI 膜、运用三维集电器等。
“操控锂金属堆积的微结构和纳结构是要害，”孟说，“咱们期望咱们的主意可以激起新的研讨方向，使可充电锂金属电池可以提高到一个新的水平。”
