中國粉體網訊 以金屬鋰為負極的鋰金屬二次電池具備超越600Wh/kg能量密度的潛力，是突破傳統鋰離子電池能量密度極限的下一代高比能電池技術發展方向和研究熱點。然而，金屬鋰負極電化學可逆性差成為制約鋰金屬電池循環壽命提升的瓶頸。準確分析金屬鋰負極的可逆性是剖析其性能衰減機制，進而發展長壽命鋰金屬電池的關鍵基礎科學問題。不同于傳統鋰離子電池可以用庫倫效率來直接反映電化學反應可逆性，鋰負極中預先存在的金屬鋰在鋰電池循環過程中持續補償不可逆鋰損失，鋰負極的真實可逆程度無法通過現有技術手段獲知，因而建立金屬鋰負極可逆性的定量分析方法是鋰金屬二次電池研究亟需解決的關鍵科學問題。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員劉兆平帶領的動力鋰電池工程實驗室致力于高比能鋰電池技術研究，在金屬鋰負極結構設計、復合改性與表面修飾及高比能鋰金屬電池研制等方面形成了深厚的研究基礎。近日，該團隊針對前文提到的金屬鋰負極真實可逆性解析的共性問題，提出了在實際鋰電池體系中區分鋰負極的活性與非活性鋰并分別進行定量分析的創新方法，進而結合數學模型與數據擬合，實現了對金屬鋰負極電化學可逆性的準確量化。
經歷循環充放電后，金屬鋰負極中鋰主要以三種形式存在（圖1）：一是依然具有電化學活性的金屬態鋰（活性鋰，activeLi0），二是被SEI包裹的失去電化學活性的金屬態鋰（死鋰，inactiveLi0），三是SEI中的含鋰化合物（SEI-Li+）。對活性鋰和死鋰的含量進行定量測定是獲知鋰負極真實可逆性的先決條件，但兩者均為金屬態鋰、物理化學性質相同，因而難以區分。本研究利用包裹死鋰的SEI膜具有阻隔有機溶劑的特性，創新地采用聯苯/四氫呋喃混合溶劑，以化學金屬化的方式實現了活性鋰與死鋰的物理分離，并分別通過電感耦合等離子體發射光譜（ICP）、氣相色譜（GC）測量活性鋰溶解于聯苯/四氫呋喃后溶液中的鋰含量以及死鋰與水反應后生成的氫氣量，從而實現對活性鋰與死鋰含量的精確測定（圖2）。以此為基礎，研究基于金屬鋰負極不可逆性隨循環次數呈指數增長關系的數學模型，對不同循環圈數后的活性鋰與死鋰含量的定量分析數值進行擬合，進一步解析得到反映金屬鋰負極真實可逆性的關鍵參數。
此外，科研團隊將上述分析方法應用于實際軟包電池體系，對比分析了不同工作條件下鋰負極本征可逆性的差異性，以驗證該方法的適用性，并發掘其潛在的應用價值。例如，壓力是能夠顯著影響金屬鋰負極可逆性的外界因素，但負極中金屬鋰對于不可逆鋰損失的持續補償，因此在循環初期，不同外壓下的鋰金屬軟包電池的放電容量和庫倫效率等表觀測試結果幾乎沒有差異，而使用該定量分析方法得出的結果則揭示了不同壓力下鋰負極真實可逆性的顯著性差異。研究通過定量分析數據擬合預測的電池壽命與實測電池壽命極為接近，不僅說明應用該方法具有相當高的準確性，而且為鋰金屬電池的壽命預測提供了新的有效手段。又如，充放電倍率同樣是影響金屬鋰負極可逆性的重要因素，高倍率下金屬鋰負極可逆性下降明顯，利用該方法，研究定量化對比了C/5和C/2放電倍率下的鋰負極可逆性，并結合鋰負極的形貌表征，突破常規定性觀察的局限性，給出了具有量化指標的金屬鋰負極在不同倍率下的結構演化模型（圖3），為推演電池失效的動態過程提供了新依據。
該研究建立的金屬鋰負極可逆性的定量分析方法為闡釋不同設計參數與工作條件對于金屬鋰負極可逆性的影響提供了量化對比工具，并可實現鋰金屬電池的壽命預測，從而為鋰金屬電池的理性設計和性能優化提供了更精準、科學的判斷依據，對于提升新體系鋰電池技術的研究水平和加速突破高比能鋰電池的循環壽命瓶頸等具有重要意義。
相關研究成果以Quantifying Reversible/Irreversible Lithiumin Practical Lithium Metal Batteries為題，發表在Nature Energy（DOI：10.1038/s41560-022-01120-8）上。研究工作得到國家自然科學基金、寧波材料所所長基金、中國博士后科學基金等的支持。
圖1.充放電循環后金屬鋰負極中可逆與不可逆鋰物種組成、金屬鋰負極真實可逆性定量分析操作流程與關鍵參數體系
圖2.區分與定量分析活性鋰與非活性鋰的實驗方法
圖3.應用本研究工作所發展的定量分析方法并結合形貌表征，繪制的在C/5（a）和C/2（b）不同倍率充放電循環過程中金屬鋰負極結構演化示意圖
（中國粉體網編輯整理/文正）
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