圖1 無損、原位同步輻射X射線三維成像技術(shù)研究鋰金屬電極工作機(jī)制
 

　　鋰離子電池如今已被用于從手機(jī)到筆記本電腦和電動汽車的各個領(lǐng)域，數(shù)據(jù)顯示，2018年我國鋰電池行業(yè)市場規(guī)模已達(dá)到820億元。預(yù)計到2024年，我國鋰電池行業(yè)市場規(guī)模將超過1500億元。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著社會的進(jìn)一步發(fā)展，人們對鋰電池的能量存儲與使用壽命提出了更高的要求。

 

　　從電極材料來看，目前商用鋰離子電池負(fù)極材料為碳，其容量約為372mAh/g。與之對比，鋰金屬負(fù)極的容量約為3860mAh/g，約為碳負(fù)極材料的10倍有余。但是，在實際使用過程中，鋰金屬電極有鋰枝晶產(chǎn)生，由鋰金屬電極組成的鋰金屬電池，其庫倫效率低、循環(huán)壽命短。為解決這一問題，研究學(xué)者提出各種方法來提升鋰金屬電極的使用壽命。雖然這些方法在一定程度上提升了鋰金屬電池的循環(huán)壽命（<800圈），但與商用鋰離子電池的循環(huán)壽命（~2000圈）相比還有很大差距。為更有效的解決鋰枝晶生長問題，提升鋰金屬電池的庫倫效率、使用壽命，亟需進(jìn)一步加深對鋰金屬電極的工作機(jī)制的理解。

 

　　青島能源所先進(jìn)電池正極材料研究組孫富博士，采用無損、原位同步輻射X射線三維斷層掃描成像技術(shù)深入研究鋰金屬電極在循環(huán)過程中的工作機(jī)制，研究對象為使用三種不同方法修飾/保護(hù)的鋰金屬電極。無損、原位同步輻射X射線成像結(jié)果顯示，使用三種不同方法修飾/保護(hù)的鋰金屬電極在循環(huán)過程中仍然會發(fā)生不可逆的形貌轉(zhuǎn)變。與此同時，在組成的對電池循環(huán)效率≥99%的情況下，枝晶狀微型結(jié)構(gòu)的鋰仍然會產(chǎn)生。此項研究揭示了下一代鋰金屬電極的工作機(jī)制，也極大加深了我們對鋰金屬電極工作機(jī)制的理解。此項研究成果發(fā)表在電化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《ACS Energy Letters》。

 

     Fu Sun, Dong Zhou, Xin He, Markus Osenberg, Kang Dong, Libao Chen, Shilin Mei, Andre` Hilger, Henning Markotter, Yan Lu, Shanmu Dong, Shashidhara Marathe, Christoph Rau, Xu Hou, Jie Li, Marian Cristian Stan, Martin Winter, Robert Dominko and Ingo Manke, Morphological Reversibility of Modified Li-Based Anodes for Next-Generation Batteries, ACS Energy Lett. 2020, 5, 152-161

 

　　此研究得到了青島能源所所百人計劃的支持。（文/圖 孫富）