DOE揭秘电池阳极中锂金属的秘密 以延长电池寿命

盖世汽车讯纯金属锂可能成为目前电动车电池用石墨负极的替代品。与现有技术相比，纯金属锂可以大大减轻电池重量，显著延长电动汽车的续航里程。但在用于汽车之前，科学家需要了解如何延长锂金属电池的寿命。

据国外媒体报道，由来自DOE布鲁克海文国家实验室和石溪大学的化学家Peter Khalifah领导的一项新研究跟踪了循环过程中锂金属在电池阳极中的沉积和移除，以找出相关故障模式的秘密。

Khalifah说:“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一样的。研究结果显示，有些地方很难去除锂，说明这个位置有问题。通过找出问题的原因，我们可以找到解决问题的方法，并制造出容量更高、寿命更长的电池。”

(来源:布鲁克海文国家实验室)

这项研究是由高级光子源，Khalifah和他们在美国能源部阿贡国家实验室的合作者进行的。他们成功地跟踪了锂在一个完整的充放电循环中从阴极到阳极来回穿梭的过程。

哈利法说:“X射线可以直接穿透电池，因此可以快速测量多次，以跟踪电池变化时发生的情况。据报道，没有人能在锂穿梭发生时用X射线画出路径。”

挑战之一是很难用X射线看到锂原子。来自在阴极和阳极之间移动的少量锂原子的微弱信号容易被来自电池的其他材料的更强信号掩盖，包括来自纯锂金属阳极上的大量锂的信号。

为了解决上述问题，Khalifah的研究小组设计了一种使用“裸露”阳极的电池，这当然是相对于预先存在的锂而言的。因此，穿梭锂离子的信号更容易测量。随后，研究人员比较了铜和钼两种不同的阳极材料，发现在这些电池的运行过程中，锂离子从阴极材料中被提取出来，并以纯锂金属的形式沉积在这些材料上。因此，研究人员可以跟踪锂金属在阳极表面的添加和去除情况。通过比较使用铜和钼阳极的过程，研究人员还可以确定两种金属之间的差异，这有利于改进电池的设计。通过实验，研究小组绘制了电池充电和放电各个阶段电极上锂的含量。

收集包含数百个数据点的地图大约需要一个小时。映射数据可用于识别由电池充电和放电引起的变化，但是数据收集过程太慢而无法跟踪这些变化。因此，科学家使用更快的数据收集程序，在电池周期内多次扫描10个特定位置的像素。

哈利法说:“首先，我们在电池静止时制作一张地图，从零容量开始，然后在充电到一半容量时测量像素。然后停止充电再做一张图，充电到满容量再恢复具体像素的测量。接下来，我们将在电池放电的同时继续交替进行地图绘制和像素扫描，也会在电池半放电和完全放电时停止收集地图。”

实验结果

结果表明，铜阳极在充电过程中的各个点都表现良好:一半的锂容量沉积在阳极上至半充电状态，所有可能的锂沉积在完全充电状态。

放电的时候像素差别很大。在某些像素中，锂的去除与放电成正比(半放电状态下锂有一半被剥离，完全放电时全部消失)。其他像素显示锂去除的滞后，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，大部分锂仍留在正极。

哈利法说:“一旦剩下锂，电池的容量就会降低。每留下一个锂原子，就意味着少一个电子流经外电路电源……靠电池，所以不可能提取电池的全部容量。"

锂剥离不完全导致电池异常的发现震惊了科学界，因为之前很多科学家认为锂涂层是锂金属电池出现问题的根本原因。

哈利法解释说:“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来组织。去除锂应该更容易，因为表面的任何原子都可以不遵循任何特定的模式被带走。此外，如果锂的添加速度快于原子在表面的均匀沉积速度，就会产生针状枝晶，可能会造成电池短路(也可能起火)。”钼阳极在电镀过程中变化比铜大，而在退镀过程中变化较小。

哈利法说:“由于锂在剥离过程中表现更好，阳极也具有最大的整体不规则性，这意味着使用钼箔基板而不是铜基板的电池可能会生产出更高容量的电池。”

然而，科学家们并不清楚金属选择是否影响钼阳极的性能。另一个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。

映射数据显示，性能差的区域出现在大约5 mm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组电池中的扩散不良可能是这些区域局部容量损失的原因。Khalifah表示，如果是这种情况，可以通过采用其他更好的方式在阴极上分配电解液来提高电池的性能。

哈利法说:“后续测试旨在区分金属和溶剂的影响，并测试缓解电解质不均匀等潜在问题的策略的有效性，从而有助于促进长寿命和高容量锂金属阳极电池的发展。”盖世汽车讯纯金属锂可能成为目前电动车电池用石墨负极的替代品。与现有技术相比，纯金属锂可以大大减轻电池重量，显著延长电动汽车的续航里程。但在用于汽车之前，科学家需要了解如何延长锂金属电池的寿命。

据国外媒体报道，由来自DOE布鲁克海文国家实验室和石溪大学的化学家Peter Khalifah领导的一项新研究跟踪了循环过程中锂金属在电池阳极中的沉积和移除，以找出相关故障模式的秘密。

Khalifah说:“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一样的。研究结果显示，有些地方很难去除锂，说明这个位置有问题。通过找出问题的原因，我们可以找到解决问题的方法，并制造出容量更高、寿命更长的电池。”

(来源:布鲁克海文国家实验室)

这项研究是由高级光子源，Khalifah和他们在美国能源部阿贡国家实验室的合作者进行的。他们成功地跟踪了锂在一个完整的充放电循环中从阴极到阳极来回穿梭的过程。

哈利法说:“X射线可以直接穿透电池，因此可以快速测量多次，以跟踪电池变化时发生的情况。据报道，没有人能在锂穿梭发生时用X射线画出路径。”

挑战之一是很难用X射线看到锂原子。来自在阴极和阳极之间移动的少量锂原子的微弱信号容易被来自电池的其他材料的更强信号掩盖，包括来自纯锂金属阳极上的大量锂的信号。

为了解决上述问题，Khalifah的研究小组设计了一种使用“裸露”阳极的电池，这当然是相对于预先存在的锂而言的。因此，穿梭锂离子的信号更容易测量。随后，研究人员比较了铜和钼两种不同的阳极材料，发现在这些电池的运行过程中，锂离子从阴极材料中被提取出来，并以纯锂金属的形式沉积在这些材料上。所以研究人员可以……添加到阳极表面和从阳极表面移除的锂金属的一致性。通过比较使用铜和钼阳极的过程，研究人员还可以确定两种金属之间的差异，这有利于改进电池的设计。通过实验，研究小组绘制了电池充电和放电各个阶段电极上锂的含量。

收集包含数百个数据点的地图大约需要一个小时。映射数据可用于识别由电池充电和放电引起的变化，但是数据收集过程太慢而无法跟踪这些变化。因此，科学家使用更快的数据收集程序，在电池周期内多次扫描10个特定位置的像素。

哈利法说:“首先，我们在电池静止时制作一张地图，从零容量开始，然后在充电到一半容量时测量像素。然后停止充电再做一张图，充电到满容量再恢复具体像素的测量。接下来，我们将在电池放电的同时继续交替进行地图绘制和像素扫描，也会在电池半放电和完全放电时停止收集地图。”

实验结果

结果表明，铜阳极在充电过程中的各个点都表现良好:一半的锂容量沉积在阳极上至半充电状态，所有可能的锂沉积在完全充电状态。

放电的时候像素差别很大。在某些像素中，锂的去除与放电成正比(半放电状态下锂有一半被剥离，完全放电时全部消失)。其他像素显示锂去除的滞后，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，大部分锂仍留在正极。

哈利法说:“一旦剩下锂，电池的容量就会降低。每留下一个锂原子，就意味着流经电池供电的外部电路的电子少了一个，所以不可能提取电池的全部容量。”

锂剥离不完全导致电池异常的发现震惊了科学界，因为之前很多科学家认为锂涂层是锂金属电池出现问题的根本原因。

哈利法解释说:“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来组织。去除锂应该更容易，因为表面的任何原子都可以不遵循任何特定的模式被带走。此外，如果锂的添加速度快于原子在表面的均匀沉积速度，就会产生针状枝晶，可能会造成电池短路(也可能起火)。”钼阳极在电镀过程中变化比铜大，而在退镀过程中变化较小。

哈利法说:“由于锂在剥离过程中表现更好，阳极也具有最大的整体不规则性，这意味着使用钼箔基板而不是铜基板的电池可能会生产出更高容量的电池。”

然而，科学家们并不清楚金属选择是否影响钼阳极的性能。另一个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。

映射数据显示，性能差的区域出现在大约5 mm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组电池中的扩散不良可能是这些区域局部容量损失的原因。Khalifah表示，如果是这种情况，可以通过采用其他更好的方式在阴极上分配电解液来提高电池的性能。

哈利法说:“后续测试旨在区分金属和溶剂的影响，并测试缓解电解质不均匀等潜在问题的策略的有效性，从而有助于促进长寿命和高容量锂金属阳极电池的发展。”

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