纯锂金属是目前电动汽车电池中使用的石墨负极的有希望的替代品。相对于现有技术，它可以极大地减轻电池重量并显着延长电动汽车的行驶里程。但在锂金属电池可以用于汽车之前，科学家们必须首先弄清楚如何延长它们的寿命。
由美国能源部 (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电池阳极在循环过程中锂金属的沉积和去除，以寻找故障发生方式的线索。这项工作发表在《电化学学会杂志》的特刊上，以 表彰诺贝尔奖获得者电池研究员约翰·古迪纳夫的贡献，他和哈利法一样是电池 500 联盟研究团队的成员。
“在一个好的电池中，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相同的，”Khalifah 说。“我们的研究结果表明，在某些地方去除锂更加困难，这意味着那里存在问题。通过找出问题的原因，我们可以弄清楚如何摆脱它们，并制造出容量更高、寿命更长的更好的电池。 "
Khalifah 和他的合作者在美国能源部阿贡国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施 Advanced Photon Source 使用强 X 射线进行了这项研究。他们跟踪锂在一个完整的充电和放电循环中从阴极穿梭到阳极并返回。
“X 射线可以直接穿透电池，让我们能够非常快速地进行许多测量，以跟踪电池变化时发生的情况，”Khalifah 说。“据我们所知，没有人能够在锂穿梭发生时使用 X 射线来绘制它。”
挑战之一：使用 X 射线很难看到锂原子。在阴极和阳极之间移动的少量锂原子发出的微弱信号很容易被构成电池的其他材料发出的更强信号所掩盖——包括来自纯锂上大量锂的信号金属阳极。
为了应对这一挑战，Khalifah 的团队设计了一种使用“裸”阳极的电池——至少相对于预先存在的锂而言是裸的。这使得穿梭锂离子的信号更容易测量。然后，他们进行了一项研究，比较了两种不同的阳极材料——铜和钼——锂离子在这些电池运行期间从阴极材料中提取出来后以纯锂金属的形式沉积在这些材料上。这使研究人员能够跟踪锂金属添加到阳极表面和从阳极表面移除的均匀程度。比较使用铜和钼阳极的这一过程也提供了一个机会来确定这两种金属之间的差异，这可能在设计改进的电池方面卓有成效。使用此设置，
收集了数百个数据点的地图大约需要一个小时。该映射数据可用于识别因电池充电和放电而发生的变化，但数据收集过程太慢，无法用于跟踪发生的变化。因此，为了跟踪发生的变化，科学家们使用了一种更快速的数据收集程序，在电池循环期间一遍又一遍地扫描一小部分 10 个像素特定位置。
“我们在电池处于静止状态时制作地图，从零容量开始，然后在充电至一半容量时进行像素测量。然后我们停止充电并制作另一张地图，然后在充电至满容量时恢复特定像素的测量. 然后，我们在继续交替映射和像素扫描的同时对电池进行放电，在半放电和完全放电时停下来收集地图，”Khalifah 解释说。
结果揭示了变化
对于铜阳极，在充电过程中，所有点都表现良好：一半的锂容量在阳极上沉积到半充电状态，所有可能的锂在完全充电状态下沉积。
放电时，像素之间出现很大差异。在某些像素中，锂的去除与放电成正比(一半的锂在半放电状态下被剥离，而在完全放电时全部消失)。其他像素在锂去除方面表现出滞后，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，大部分锂仍留在阳极上。
“如果留下锂，就会降低电池的容量，”哈利法说。“每留下一个锂原子，就意味着少一个电子流过由电池供电的外部电路。你无法提取电池的所有容量。”
由于锂的不完全剥离而出现这些不规则性的发现有些令人惊讶。在这项研究之前，许多科学家认为锂镀层是锂金属电池中最严重问题的根源。
“一般来说，人们预计锂金属的沉积会更加困难，因为原子必须按照这种金属晶体结构的特定排列进行组织，”Khalifah 解释说。“去除锂应该更容易，因为表面上的任何原子都可以被带走，而无需遵循任何特定的模式。此外，如果锂的添加速度比原子在表面上均匀沉积的速度更快，则生长往往发生在针状树突的形式，可能导致电池短路(并可能起火)。”
钼阳极在电镀过程中比铜表现出更多的变化，但在剥离过程中变化较小。
“由于在剥离步骤中锂的行为更好，这会导致阳极出现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产生更高容量的电池，”Khalifah 说。
然而，尚不清楚金属的选择是否对钼阳极的更好性能负责。另一个因素可能是电解质的分布——锂离子在阳极和阴极之间来回穿梭时穿过的液体。
测绘数据显示，性能不佳的区域出现在大约 5 毫米宽的点上。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单元中的不良扩散可能是这些区域局部容量损失的原因。如果是这种情况，Khalifah 说，那么电池的性能可能会通过找到一种更好的方法来在阴极上分配电解质来提高。
“旨在区分金属和溶剂效应的后续实验，以及测试缓解电解质不均匀等潜在问题的策略的有效性，将有助于推进开发长寿命高容量锂金属负极电池的更广泛目标，”哈利法说。