青岛能源所提出实用型锂金属电池失效新机制及优化新思路

在续航里程焦虑的不断刺激下，被称为“圣杯”电池的液态锂金属电池因其极高的能量密度而成为行业内关注的热点。然而，锂金属负极的严重失效制约了锂金属电池的商业化发展。目前，对锂金属负极失效和保护的机理认知尚存争议。传统观点认为，锂枝晶的生长是金属锂负极失效的主要原因。但实际上，尽管大量文献报道了无枝晶生长的金属锂负极，但采用高面容量正极（≥ 2 mAh cm-2）和超薄锂负极（例如50 μm）的实用型锂金属电池通常会在100个充放循环以内发生容量跳水失效问题，这远远不如相同容量下锂离子电池的循环性能。当拆开容量跳水失效的实用型锂金属软包电池时，通常会观察到金属锂负极严重粉化。但目前，金属锂负极粉化的起源及其组分仍不清晰。

近年来，青岛能源所固态能源系统技术中心崔光磊研究员和董杉木研究员，在锂金属电池和锂金属负极保护等科学领域持续攻坚克难，取得了一系列具有国际影响力的研究成果（Chem. Mater. 2017, 29, 4682-4689; Chem. Sci. 2018, 9, 3451-3458; Chem. Mater. 2018, 30, 12, 4039-4047; Angew. Chem. 2019, 131, 5997-6001; Small 2019, 15, 1900269; Chem. Mater. 2020, 32, 8, 3405-3413）。正是在这些工作推进的过程中，通过在线差分电化学质谱研究发现：在充放电过程中，锂金属电池中会产生大量的H2，那么锂金属负极会不会与H2反应形成LiH？LiH会不会是锂金属负极的膨胀粉化失效的罪魁祸首呢？秉承着“敢为天下先”和“精诚合作”的团队精神，历经二年多的刻苦攻关，终于取得突破性成果。首先，团队将在线差分电化学质谱系统进行巧妙地升级，实现在线滴定气体分析功能。而后，通过氘水（D2O）滴定金属锂负极（判据：2Li + 2D2O → 2LiOD + D2↑; LiH + D2O → LiOD + HD↑），在国际上首次发现失效粉化的金属锂负极中存在大量导电性差的氢化锂（LiH），且实用型锂金属电池（2.805 mAh cm-2 LiCoO2, 50 μm Li）的循环性能与锂金属负极中LiH的积累呈负相关性。更重要的是，揭示了LiH的生成和分解是由一个温度敏感的化学平衡（Li + 1/2H2 LiH）决定的：室温条件下，界面副反应产生的H2与锂金属反应生成LiH；而通过加热，LiH会部分分解产生导电性优异且具有电化学活性的锂金属，从而恢复提升容量。该研究工作告诉我们，有效抑制H2的产生和LiH的积累对于锂金属负极的保护至关重要，这为实用型锂金属电池的发展提供了新的思路：（1）在正极侧，电解液氧化产物R-H+穿梭到负极还原是H2产生的主要原因，通过钝化正极和配制含氢少的电解液两种策略抑制R-H+的产生；（2）通过隔膜或聚合物电解质的功能化处理阻止R-H+穿梭到负极；（3）在金属锂负极构建储氢或吸附氢能力强的界面保护材料，实际上，目前报道的能有效保护金属锂负极的界面组分，如LiF, Li3N, BN, Li2O和纳米碳材料等，都是优异的储氢材料；（4）采用加热加压策略。另外，该研究工作也提示我们，应该在各类电池体系中，加强电极界面上金属氢化物的表征研究，而这将开创电池界面研究的新方向。

相关成果已于近日发表于Angewandte Chemie International Edition，固态能源系统技术中心许高洁、李杰东、王超三位老师为文章的共同第一作者，通讯作者为崔光磊研究员和董杉木研究员。


该工作得到了国家重点研发计划，中国科学院战略先导项目，国家杰出青年科学基金，中国科学院青年促进会基金，山东省重点研发计划等项目的支持与资助。(文/图：许高洁、董杉木、崔光磊)图片（来源： 青岛能源所）