英文原题：Morphological Reversibility of Modified Li-Based Anodes for Next-Generation Batteries

通讯作者：Kang Dong, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Germany;

陈立宝，中南大学;

Jie Li, Helmholtz Institute Münster, Germany;

Robert Dominko, National Institute of Chemistry, Slovenia

作者：Fu Sun, Dong Zhou, Xin He, Markus Osenberg, Kang Dong, Libao Chen, Shilin Mei, André Hilger, Henning Markötter, Yan Lu, Shanmu Dong, Shashidhara Marathe, Christoph Rau, Xu Hou, Jie Li, Marian Cristian Stan, Martin Winter, Robert Dominko and Ingo Manke

随着各种便携式电子设备和电动汽车的普及，传统的锂离子电池已难以满足人们对电池容量和续航时间的要求，开发新型兼具高能量密度和长循环寿命的化学电源迫在眉睫。自上世纪70年代以来，锂金属因其高的比容量（约为3860 mAh/g）获得了产业界和学术界的极大关注，是下一代电池最有前景的负极材料之一。然而在服役过程中，由于锂金属电极较强的化学活性，其不可避免地与电解液发生副反应，形成锂“枝晶”，使电池库伦效率和循环寿命大大降低。同时，不可控的锂“枝晶”会穿破隔膜，造成电池内部短路，从而引发热失控。虽然各国学者提出了不同的方法来调控锂离子在锂金属负极上的沉积形态，但是这些方法仍然难以满足大规模商业化的要求。同时由于锂离子电池结构的特殊性，目前常用的材料分析手段很难原位无损地观察锂金属电极在电化学循环过程中的形貌衍变过程。揭示锂“枝晶”的生长和电池容量衰减的内在联系并提出有效的解决方案成为推动锂金属电池商业化应用的第一步。

为此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所孙富博士与德国明斯特大学MEET电池研究中心周冬博士、亥姆霍兹于利希研究中心的何欣博士等研究学者，利用同步辐射X射线三维断层扫描成像技术，对不同手段改性的锂金属负极（锂铝合金、人造SEI膜和AAO隔膜保护）在电化学循环过程中的形态进行了原位同步辐射成像研究，相关研究成果发表在ACS Energy letters 上。

如图1所示，无损、原位同步辐射X射线成像研究发现使用LiAl合金来代替锂金属并不能阻止孔状锂结构的产生。经历一定的电化学循环后，约有25微米厚的孔状锂微型结构产生。与此同时，研究发现使用人造SEI膜保护的锂在经历一定的电化学循环后，人造SEI膜会被电化学过程中产生的孔状锂微型结构所刺破，如图2所示。当使用AAO膜保护锂电极时，孔状锂微型结构会轻易穿过AAO膜的20纳米的孔径进行生长，结果如图3所示。

图1.（A）使用锂铝合金组装对电池示意图。同步辐射X射线成像表征对电池循环后的电极截面图（B）及三维显示图（C）

图2.（A）使用人造SEI膜保护的锂电极组装对电池示意图。同步辐射X射线成像表征对电池循环后的电极截面图（B）及三维显示图（C）

图3.（A）使用AAO膜保护的锂电极组装对电池示意图。同步辐射X射线成像表征对电池循环后的电极截面图（B）及三维显示图（C）

由此可见，虽然对锂金属电极进行表面修饰或者改性可以保证其在锂锂对称电池中高的循环效率（≥99%），但是并不能从根本上抑制锂“枝晶”的产生。实验结果指出仅仅依靠电化学数据来评判锂金属电极在循环过程中的可逆性是具有一定局限性的。此项工作指出利用原位无损表征技术，把电池的电化学性能和锂金属电极形态变化有机地联系起来，将极大地加深对于材料本身特性的理解，避免盲人摸象情况的发生，为下一代高性能锂金属电池的设计提供理论基础和技术支持。

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Morphological Reversibility of Modified Li-Based Anodes for Next-Generation Batteries

Fu Sun, Dong Zhou, Xin He, Markus Osenberg, Kang Dong, Libao Chen, Shilin Mei, André Hilger, Henning Markötter, Yan Lu, Shanmu Dong, Shashidhara Marathe, Christoph Rau, Xu Hou, Jie Li, Marian Cristian Stan, Martin Winter, Robert Dominko, Ingo Manke

ACS Energy Lett., 2020, DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02424

Publication Date: December 11, 2019

Copyright © 2019 American Chemical Society

更多使用同步辐射研究电池文章链接：

1）研究锂微型结构生长、五种商用隔膜、库伦效率与锂的循环性和锂镀与锂离子电池衰退关系（Materials Today, 2019, 27, 21）：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702118311131

2）研究锂氧电池容量衰退机制的研究（ACS Energy Letters, 2019, 4, 306）：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.8b02242

3）研究锂硫电池衰退机制（ACS Energy Letters, 2018, 3, 356）：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.7b01254

4）研究电池内部短路机制（ACS Energy Letters, 2017, 2, 94）：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.6b00589

5）研究锂电极形貌衍化机制（ACS Nano, 2016, 10, 7990）：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.6b03939

6）研究全固态锂硫电池工作机制（Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 22489）：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/TA/C8TA08821G#!divAbstract

（本稿件来自ACS Publications）