研究人员探讨锂金属电极老化概况

即使手机关机，电池最终也会没电。长途电动汽车使用的锂金属池也存在同样的问题。据国外媒体报道，来自斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家首次在原子水平上观察到这种被称为“日历老化”的过程是如何攻击锂金属负极的。研究人员发现，在电池的老化过程中，两个电极之间带电荷的电解液有很大的影响。

(来源:SLAC)

研究表明，在短短24小时后，储存老化可以消耗锂金属电池2-3%的电量。在锂离子电池中，需要三年时间。虽然这种电荷流失的现象会逐渐减缓，但可能会缩短25%的电池寿命。斯坦福大学教授SLAC和崔屹说:“我们的研究表明，电解液对蓄电池的稳定性有很大影响。”

像锂离子电池一样，锂金属电池通过锂离子在电极之间来回传输电荷。然而，锂离子电池的阴极是由石墨制成的，而锂金属电池的阴极是由锂金属制成的。相比之下，锂金属电池要轻得多，在给定的体积和重量下，有可能储存更多的能量。对于电动汽车来说，这意义重大，有助于降低成本，增加续航里程。

下一代锂金属电池会经历快速的储存老化，即使不使用电池也会电量耗尽，降低储能能力。

美国能源部电池500联盟(包括SLAC和斯坦福)的目标是开发可用于电动汽车的锂金属电池，使其重量和能量密度约为现有电池的三倍。他们在提高电池的能量密度和寿命方面取得了很大进展，但仍有许多问题有待解决，如负极上的枝晶生长，可能导致电池短路和起火。

在过去的几年里，研究人员一直在寻找这些问题的解决方案，包括一种防止锂金属阳极枝晶生长的新涂层和一种防止枝晶生长的新电解质。研究人员大卫·博伊尔(David Boyle)表示，这方面的研究大多集中在如何减少反复充放电带来的损害，因为反复充放电会导致电极产生应变和裂纹，从而影响电池的工作寿命。在这项研究中，研究小组希望通过测试各种不同化学成分的电解液，了解锂金属阳极老化的大致情况。

首先，Boyle测量了不同电解质的锂金属电池的充电效率。然后，研究人员小心翼翼地拆卸充满电的电池，让它静置一天，然后取出负极，迅速冷冻在液氮中，以保存它在储存老化过程中特定时间的结构和化学成分。接下来，使用低温电子显微镜(Cryo-EM)检测负电极，从而在原子尺度上观察各种电解质对负电极的影响。这是几年前崔团队首创的一种研究电池组件内部活动状态的方法。

锂金属电池每次充电，负极上会沉积一层新的锂金属。电解质会腐蚀这个新的金属表面(左)，在负极表面形成一层SEI层。研究表明，即使不使用电池，腐蚀仍在继续(右图)，储存老化后，SEI层变得不规则，结块。

在目前的锂离子电池中，由于电解液腐蚀，会在负极表面形成一层固体电解质界面膜(SEI)，会消耗少量的电池容量，但可以保护负极不被进一步腐蚀。一般来说，光滑稳定的SEI层有利于电池的正常工作。然而，当锂金属电池充电时，负极表面会沉积一层薄薄的锂金属，为储存老化过程中的腐蚀提供了新的表面。在测试过程中，每一种电解质都会导致一种独特的SEI生长模式，其中一些模式会……形成块或膜，或两者。这些不规则的生长模式与加速的腐蚀速率和充电效率的损失有关。

事与愿违，和性能不佳的电解液一样，原本支持高效充电的电解液也会因为储存老化而效率低下。因此，为了最大限度地减少储存老化现象，挑战在于最大限度地减少电解质的腐蚀和负极表面锂金属的腐蚀。研究人员说:“真正重要的是，我们有了一种研究电解质的新方法。这为获得下一代电池技术所需的参数提出了新的电解液设计准则。”即使手机关机，电池最终也会没电。长途电动汽车使用的锂金属池也存在同样的问题。据国外媒体报道，来自斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家首次在原子水平上观察到这种被称为“日历老化”的过程是如何攻击锂金属负极的。研究人员发现，在电池的老化过程中，两个电极之间带电荷的电解液有很大的影响。

(来源:SLAC)

研究表明，在短短24小时后，储存老化可以消耗锂金属电池2-3%的电量。在锂离子电池中，需要三年时间。虽然这种电荷流失的现象会逐渐减缓，但可能会缩短25%的电池寿命。斯坦福大学教授SLAC和崔屹说:“我们的研究表明，电解液对蓄电池的稳定性有很大影响。”

像锂离子电池一样，锂金属电池通过锂离子在电极之间来回传输电荷。然而，锂离子电池的阴极是由石墨制成的，而锂金属电池的阴极是由锂金属制成的。相比之下，锂金属电池要轻得多，在给定的体积和重量下，有可能储存更多的能量。对于电动汽车来说，这意义重大，有助于降低成本，增加续航里程。

下一代锂金属电池会经历快速的储存老化，即使不使用电池也会电量耗尽，降低储能能力。

美国能源部电池500联盟(包括SLAC和斯坦福)的目标是开发可用于电动汽车的锂金属电池，使其重量和能量密度约为现有电池的三倍。他们在提高电池的能量密度和寿命方面取得了很大进展，但仍有许多问题有待解决，如负极上的枝晶生长，可能导致电池短路和起火。

在过去的几年里，研究人员一直在寻找这些问题的解决方案，包括一种防止锂金属阳极枝晶生长的新涂层和一种防止枝晶生长的新电解质。研究人员大卫·博伊尔(David Boyle)表示，这方面的研究大多集中在如何减少反复充放电带来的损害，因为反复充放电会导致电极产生应变和裂纹，从而影响电池的工作寿命。在这项研究中，研究小组希望通过测试各种不同化学成分的电解液，了解锂金属阳极老化的大致情况。

首先，Boyle测量了不同电解质的锂金属电池的充电效率。然后，研究人员小心翼翼地拆卸充满电的电池，让它静置一天，然后取出负极，迅速冷冻在液氮中，以保存它在储存老化过程中特定时间的结构和化学成分。接下来，使用低温电子显微镜(Cryo-EM)检测负电极，从而在原子尺度上观察各种电解质对负电极的影响。这是几年前崔团队首创的一种研究电池组件内部活动状态的方法。

锂金属电池每次充电，负极上会沉积一层新的锂金属。电解质会腐蚀这个新的金属表面(左)，在负极表面形成一层SEI层。研究表明，即使不使用电池，腐蚀c……连续(右)，储存老化后，SEI层变得不规则和结块。

在目前的锂离子电池中，由于电解液腐蚀，会在负极表面形成一层固体电解质界面膜(SEI)，会消耗少量的电池容量，但可以保护负极不被进一步腐蚀。一般来说，光滑稳定的SEI层有利于电池的正常工作。然而，当锂金属电池充电时，负极表面会沉积一层薄薄的锂金属，为储存老化过程中的腐蚀提供了新的表面。在测试过程中，每种电解质都会导致一种独特的SEI生长模式，其中一些会形成块状或薄膜，或者两者兼而有之。这些不规则的生长模式与加速的腐蚀速率和充电效率的损失有关。

事与愿违，和性能不佳的电解液一样，原本支持高效充电的电解液也会因为储存老化而效率低下。因此，为了最大限度地减少储存老化现象，挑战在于最大限度地减少电解质的腐蚀和负极表面锂金属的腐蚀。研究人员说:“真正重要的是，我们有了一种研究电解质的新方法。这为获得下一代电池技术所需的参数提出了新的电解液设计准则。”

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