三维电池透视成像解密锂金属电池的实时寿命

电池研究人员创造性地克服了采用实时三维影像在循环过程中原位观察锂金属电池的难题。来自瑞典查尔姆斯理工大学的研究团队成功地观察到电池中锂金属在充电和放电时的电化学行为，这种新方法有望为我们未来的汽车和电子设备提供更高容量和更高安全性的电池。

查尔姆斯理工大学物理系教授兼项目负责人Aleksandar Matic说：“我们为理解锂金属负极和从长远来看优化未来的锂金属电池打开了一个新窗口。当我们能够准确研究循环过程中电池中的锂发生了什么，就可以建立起影响其内部工作的重要机理”。该项工作近期发表在《自然•通讯》上。

锂金属电池等电池体系被寄予厚望以取代当今的锂离子电池，目标是开发能量密度更高、更安全以及更低经济和环境成本的电池。固态电池、锂硫电池和锂氧气电池被认为是很有前景的电池体系，但它们的应用都建立在锂金属负极的基础之上，而不是当今使用的石墨负极。不采用石墨负极的电池将更轻，而采用锂金属负极的电池将可以匹配高容量正极材料，有望实现当前电池三到五倍的能量密度。

锂形成非致密微结构

然而，锂金属电池存在一个关键问题，即金属锂在充电或者放电过程中并不会沉积形成光滑致密的结构。通常锂负极会形成苔藓状的微结构、枝状结构或者针形结构，因此部分沉积锂会从被导电网络孤立从而失去活性。同时，枝晶状结构还存在到达电池正极引发内部短路的风险。因此理解锂微结构何时产生、如何生长以及为何会形成是锂金属电池的关键问题。

该研究工作的第一作者为查尔姆斯理工大学物理系博士后Matthew Sadd和研究员Shizhao Xiong。Matthew Sadd博士认为：“为了在下一代电池中应用锂负极技术，我们需要理解电流密度、电解质组分和循环次数等因素如何影响电池的运行，现在我们开发了一个工具来实现这个研究目标。”

等待第一张成像的兴奋时刻

这项在原位电池中观察金属锂微结构形成过程的实验是在瑞士苏黎世郊外的瑞士光源进行的。在令人屏息的期待中，研究人员设计了一个专用原位电池，并采用X射线断层扫描成像在三维空间实时研究了锂的沉积过程。尽管许多科研人员都试图在工作电池中研究金属锂，但是分辨率都远未达到该研究团队实现的水平。跟分析循环后电池的图像技术相比，该技术前进了一大步。

Aleksandar Matic教授说：“当我们亲眼看到在第一次试验就成功观察到锂枝晶现象，这真是太神奇了。观察到金属锂的巨大针状结构，这对于我们来说就像登月项目一样兴奋。我们长期以来尝试实时观察到电池内部的工作状态，现在我们实现了！”

锂负极大规模应用的关键步骤

当前，该研究团队的目标是在其他电池体系中应用此项表征技术，希望必要的成像技术将来在瑞典完成，例如MAX IV瑞典国家X 射线同步辐射实验装置。

Aleksandar Matic教授说：“我们期待开发这种方法，以更高的时间分辨率和更快的测试速度来研究在沉积早期形成微结构的细节，这是能够大规模使用锂金属电池并确保其安全的关键部分。很多研究团队和公司都在寻求锂金属负极在未来电池原型中的应用。”

有关研究的更多信息

• 该项研究以“Investigating microstructure evolution of lithium metal during plating and stripping via operando X-ray tomographic microscopy”为标题发表在Nature Communications上，作者为Matthew Sadd, Shizhao Xiong, Jacob R. Bowen, Federica Marone 和 Aleksandar Matic，研究单位为瑞典查尔姆斯理工大学、丹麦Xnovo 科技公司和瑞士光源保罗谢尔研究所。
• 该项研究由瑞典创新署、瑞典电池中心和查尔姆斯理工大学先进能源学部共同资助。
• 通过与国际伙伴的大力合作，Aleksandar Matic 团队对锂在锂金属电池充放电中的分布先后发表了多篇文论，例如在Advanced Science 上发表“Insight Into The Critical Role of Exchange Current Density on Electrodeposition Behaviour of Lithium Metal”和Advanced Energy Materials上发表“Role of Li‐Ion Depletion on Electrode Surface: Underlying Mechanism for Electrodeposition Behavior of Lithium Metal Anode”

关于下一代电池的更多信息

• 在研究下一代高能量密度、低资源耗用电池体系的过程中，锂金属电池是有望取代当前锂离子电池的体系之一，尤其是在各种类型的电动汽车应用中。研发目标是开发能量密度高、安全性好的电池，使我们在低经济成本和低环境成本方面走得更远。
• 在锂离子电池中锂离子储存在石墨中，因此石墨作为载体其本身对活性没有贡献。而在锂金属电池中，采用锂金属取代石墨，这使得电池的能量密度更高。以锂金属为负极匹配高容量正极材料，有望使电池的能量密度达到当前电池的三到五倍。
• 固态电池、锂硫电池和锂氧气电池都是很有前途的下一代电池体系，但是它们都需要锂金属负极与正极的容量相匹配，从而大幅提高电池体系的能量密度。
• 目前，研究人员预计下一代电池的突破大约需要十年时间。
• 查尔姆斯理工大学正在承担和开展多项与电池相关的课题，研究团队具有广泛的国内国际合作，例如瑞典电池中心和欧洲 2030+ BIGMAP 项目。
   

更多信息请联系: 

Shizhao Xiong, 瑞典查尔姆斯理工大学物理系研究员， shizhao.xiong@chalmers.se 

Aleksandar Matic​,瑞典查尔姆斯理工大学物理系教授，  matic@chalmers.se ​

Matthew Sadd, 瑞典查尔姆斯理工大学物理系教授博士后，matthew.sadd@chalmers.se
 

图片标题:电池研究人员长期以来致力于研究锂金属电池运行中的锂。查尔姆斯理工大学的研究人员开发出一种方法来观察锂在电池循环过程中的行为。借助专门设计的电池并使用X射线断层扫描成像，研究人员可以在三维空间实时观察电池内部的工作情况。这种新方法有望为我们未来的汽车和设备提供更高容量和更高安全性的电池。

摄影: 查尔姆斯理工大学