“研究人员探讨锂金属电极老化概况”

盖西汽车的新闻是即使手机没电，电池最后也会没电。 远程电动汽车采用的锂金属池也存在同样的问题。 据报道，斯坦福大学( stanford university )和美国能源部slac国家加速器研究所) Slacnation Alacceler Atorlaboratory的科学家们称之为“存储老化”( storage aging )。 首次关注原子水平的研究人员发现，在电池老化过程中，在两个电极之间携带电荷的电解液会产生很大的影响。

(图像来源: slac )

研究表明，短短全天候，存储老化可消耗锂金属电池2-3%的电力。 锂离子电池需要三年。 虽然这种电荷损失现象会逐渐缓和，但累积起来，电池寿命有可能缩短25%。 slac和斯坦福大学教授yi cui表示:“根据我们的研究，电解液对存储电池稳定性的影响是显而易见的。 ”。

和锂离子电池一样，锂离子电池通过锂离子在电极之间来回传输电荷。 但是，锂离子电池的负极是由石墨制成的，而锂金属电池的负极是由锂金属制成的。 相比之下，锂金属电池相当轻，而且有可能以规定的体积和重量储存越来越多的能量。 对电动汽车来说，这具有重要的作用，有助于降低价值成本和增加续航距离。

新一代的锂金属电池会经历快速的储存老化，即使不使用电池，电力也会枯竭，储存能量的能力也会下降。

美国能源部电池500联盟(包括slac和斯坦福)的目标是开发可用于电动汽车的锂金属电池，使重量能量密度约为现有电池的3倍。 虽然他们在提高电池的能量密度和寿命方面取得了很大的进展，但负极上的枝晶生长问题等，仍然存在很多问题，有可能导致电池短路起火。

近年来，研究人员一直在探索防止锂金属负极枝晶生长的新涂层、防止枝晶生长的新电解液等应对这些问题的对策。 研究人员david boyle表示，这方面的研究大多集中在如何减少重复充放电带来的损害上。 这是因为，如果反复充放电，电极会产生变形和龟裂，影响电池的寿命。 在本研究中，研究小组希望通过测试具有不同化学成分的各种电解液，了解锂金属负极的劣化概况。

首先，boyle测量了含有不同电解液的锂金属电池的充电效率。 然后，小心分解充满电的电池，静置1天后，取出负极，在液氮中快速冷冻，在保存老化的过程中保存了特定时刻的结构和化学成分。 接着，用低温电子显微镜( cryo-em )检测负极，注意各种电解质在接近原子的尺度上对负极的影响。 这是cui团队几年前开始的做法，用于研究电池组件的内部活动状态。

每次锂金属电池充电时，负极都会堆积新的锂金属。 电解液腐蚀这个新的金属面(左)，在负极表面形成sei层。 研究表明，即使不使用电池，腐蚀也在继续，(右)经过存储老化，sei层变得不规则，结块。

在现在的锂离子电池中，由于电解液被腐蚀，在负极表面形成固体电解质界面膜( sei )，虽然会消耗少量的电池容量，但可以保护负极免受进一步的腐蚀。 总结一下，平滑稳定的sei层有利于电池的正常工作。 但是，给锂金属电池充电时，负极表面会堆积很薄的锂金属，为保存老化中的腐蚀提供了新的表面。 测试中，各电解液产生独特的sei生长模式，有些形成块状和/或薄膜。 这些不规则的生长模式与腐蚀速度的加速和充电效率的损失有关。

与预想相反，本来支持高效充电的电解液也和性能差的电解液一样，会因保存劣化而效率降低。 因此，为了最大限度地减轻保存劣化现象，将电解液的腐蚀性和负极表面的锂金属的腐蚀度抑制在最小限度是一个课题。 研究人员说:“真正重要的是，我们有了新的电解质研究方法。 这为获得新一代电池技术所需的参数，提出了新的电解质设计标准。 ”