【儀表網 儀表研發】在續航里程焦慮的不斷刺激下，液態鋰金屬電池因其高能量密度而成為關注熱點，但鋰金屬負極的嚴重失效制約了鋰金屬電池的商業化發展。目前，學界對鋰金屬負極失效和保護的機理認知尚存爭議。傳統觀點認為，鋰枝晶的生長是金屬鋰負極失效的主要原因。然而，實際上，盡管文獻中報道了無枝晶生長的金屬鋰負極，但采用高面容量正極(≥ 2 mAh cm-2)和超薄鋰負極(如50 μm)的實用型鋰金屬電池通常會在100個充放循環以內發生容量跳水失效問題，這遠不如相同容量下鋰離子電池的循環性能。當拆開容量跳水失效的實用型鋰金屬軟包電池時，通常會觀察到金屬鋰負極嚴重粉化。但目前，學界仍不清楚金屬鋰負極粉化的起源及其組分。
 

　　近年來，中國科學院青島生物能源與過程研究所固態能源系統技術中心研究員崔光磊、董杉木，在鋰金屬電池和鋰金屬負極保護等領域取得了系列研究成果(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)。在推進這些工作的過程中，研究人員通過在線差分電化學質譜發現，在充放電過程中，鋰金屬電池中會產生大量H2，鋰金屬負極會不會與H2反應形成LiH？LiH會不會是鋰金屬負極的膨脹粉化失效的罪魁禍首？研究人員把在線差分電化學質譜系統進行升級，實現在線滴定氣體分析功能。通過氘水(D2O)滴定金屬鋰負極(判據：2Li + 2D2O → 2LiOD + D2↑；LiH + D2O → LiOD + HD↑)，該研究發現，失效粉化的金屬鋰負極中存在大量導電性差的氫化鋰(LiH)；實用型鋰金屬電池(2.805 mAh cm-2 LiCoO2, 50 μm Li)的循環性能與鋰金屬負極中LiH的積累呈負相關性。該研究揭示LiH的生成和分解由一個溫度敏感的化學平衡(Li + 1/2H2 LiH)決定：在室溫條件下，界面副反應產生的H2與鋰金屬反應生成LiH；通過加熱，LiH會部分分解產生導電性優異且具有電化學活性的鋰金屬，從而恢復提升容量。研究表明，有效抑制H2的產生和LiH的積累對鋰金屬負極的保護具有重要意義，這為實用型鋰金屬電池的發展提供了新思路：在正極側，電解液氧化產物R-H+穿梭到負極還原是H2產生的主要原因，通過鈍化正極和配制含氫少的電解液兩種策略抑制R-H+的產生；通過隔膜或聚合物電解質的功能化處理阻止R-H+穿梭到負極；在金屬鋰負極構建儲氫或吸附氫能力強的界面保護材料，實際上，目前報道的能夠有效保護金屬鋰負極的界面組分(如LiF、 Li3N、BN、Li2O和納米碳材料等)均是優異的儲氫材料；采用加熱加壓策略。此外，研究人員提示，應該在各類電池體系中，加強電極界面上金屬氫化物的表征研究，這將開創電池界面研究的新方向。
 

　　近日，相關研究成果發表在Angewandte Chemie International Edition上，青島能源所固態能源系統技術中心教師許高潔、李杰東、王超為論文的共同第一作者，崔光磊、董杉木為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項、國家杰出青年科學基金，中科院青年創新促進會、山東省重點研發計劃等的支持。