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作者：Sam

近日，斯坦福大学纳米材料领域科学家崔屹团队再发 Nature！据悉，以见刊时间为基准计算，截至 2021 年 12 月 31 日，2021 年度崔屹在 Nature 子刊、Advanced Materials、JACS、PNAS 等期刊，已发表了近 40 篇研究成果。

图｜崔屹（来源：资料图）

本次发表的研究成果主要与锂电池中“孤立锂（i-Li）的动态空间进展”有关。

众所周知，电池作为重要储能设备，可以给人们的生产、生活带来诸多益处。在中国“碳达峰”“碳中和”加速推进的背景下，电池的商业化得到了进一步推广和发展，人们所使用的 3C 设备、电动车、储能电站的密集型布局，从侧面反映出高性能锂电池需求显著增长的趋势。

但科学界对锂电池技术的探索脚步从未停止，在 2019 年，科学家美国德州大学奥斯汀分校约翰·古德纳夫（John B Goodenough）教授获诺贝尔化学奖，该奖项表彰了对锂离子电池正、负极及产业化推广具有突出贡献的科研人员。

然而，大量固体电解质界面和孤立锂（i-Li）的产生，却加快了锂阳极容量衰减和电池循环寿命的降低。随着锂电池的循环，并不活跃的锂就像“沙子”一样堆积在一起，形成一个“小岛”，业界将这个小岛形象地称之为“锂岛”，它切断了锂电池电极之间“来往”，让电池存储电荷的能力降低。

图｜锂电池运行过程中电解液的电位分布（来源：Nature）

为了解决以上难题，美国能源部（National Accelerator Laboratory，SLAC）联合斯坦福大学找到了一种恢复锂电池性能的策略，该策略打破了「锂岛」对锂电池两极之间的阻碍，进而提高锂电子设备的寿命，从而可增加电动汽车的续航能力。

2021 年 12 月 22 日，相关论文以《电池运行期间孤立锂的动态空间进展》（Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations）为题发表在 Nature 上，由美国斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹担任通讯作者 [1]。

图｜相关论文（来源：Nature）

该团队发现，在锂电池中“死锂”并非全无益处，当我们给电池充电的时候，“死锂”会缓慢地移向电池阴极，而在锂电池放电时，它则会缓慢移向阳极。

于是科学家设想，假如能够让这个“死锂”持续移动，最终让其与锂电池阳极接触，让新的电荷再次重连，可能产生意料之外的效果。为此，他们还进一步做了实验。该团队惊讶地发现，这种方法居然可以延缓实验中锂电池性能的衰减，让锂电池的寿命增加近 30%。

图｜锂电池测试单元在充放电时，锂岛在电极之间的来回蠕动（来源：Nature）

金属锂电池循环寿命差是目前实际应用的最大阻碍，这与电池内部化学性质活泼的金属锂有密切相关。由于电池循环的过程中容易被电解液腐蚀，使电池容量快速衰减，对于电池的长循环非常不利。

崔屹告诉媒体：“我之前一直以为孤立的锂对锂电池是有害的，由于它的存在会让电池衰变，甚至在极端条件下会着火，好在我们已经通过实验测试发现了如何将这种锂岛'重新激活'的方法。”

这种策略主要通过由锂镍锰钴氧化物（Lithium-Nickel-Manganese-Cobalt-Oxide，NMC）的阴极、锂阳极和“死锂”组成光学电池测试装置，进而利用该装置密切监测锂电池内部的动态变化。

图｜“死锂”在充电过程中的形态演变（来源：Nature）

南开大学化学学院特聘研究员赵庆表示，“该工作对物理上的『死锂』提供的最新的认识，通过简单的电化学方法，能够让'死锂'再生，这对锂金属电池包括无金属锂负极的设计都有帮助。同时，这种概念未来很容易推广到其他金属，比如钠、钾、锌等，对推动金属二次电池的发展具有重要的意义。”

此外，该研究中以镀在铝箔上的 LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2（NMC）阴极，同时采用镀铜石墨作为石墨阳极。在铜锂半电池中采用了高纯锂箔和铜箔，在铜箔上叠层薄锂箔作为 NMC-Li 全电池的锂阳极，该团队的制备思路对更坚固的锂金属电池创新起到较大的推动。

在产业层面，与能源汽车紧密相关的电池一直推动和影响着能源汽车的发展，电池技术也一直在突破，从最早爱迪生发明的镍隔蓄电池、镍铅酸电池、镍氢蓄电池，一直到今天的锂电池。

复旦大学晁成栋曾表示：“实际上，将锂离子电池和钠离子有机电解液作为大量添加，当遇到紧急情况包括高温爆炸，不可避免发生燃烧或者爆炸的风险，由于电池安全性问题，给人们造成人身和财产伤亡的事件时有发生，这些案例不断地提醒用户'安全'才是电池安身立命的根本。”

值得关注的是，该研究还在锂电池充电完成之后，添加了一个快速的高电流放电程序，这样会让隔离的锂移动得足够远，以使其与阳极重新连接将锂激，达到电池使用寿命延长的效果，这对制备更优越的锂金属电池有更加广泛的影响力。

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参考：

1. Fang Liu et al., Nature 600, 659–663 (2021).

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04168-w

https://techxplore.com/news/2022-01-revitalizing-batteries-dead-lithium-life.html

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