加州大学圣地亚哥分校的研究小组与圣地亚哥州立大学，美国陆军研究实验室和通用汽车研发中心的同事一起，发现了锂金属电池失效的根本原因。
发表在“自然”杂志上的这一发现挑战了锂金属电池由于锂阳极和电解质之间固体电解质界面（SEI）的增长而失效的传统观点。
通过弄清楚锂金属电池失效的主要根本原因，我们可以合理地提出解决问题的新策略。我们的最终目标是实现商业上可行的锂金属电池。
—Chengcheng Fang
锂金属电池具有由锂金属制成的阳极，是预期的下一代电池技术的重要组成部分。它们承诺的能量密度是目前锂离子电池的两倍，具有石墨阳极，因此它们的使用寿命更长，重量更轻。这可能会使电动汽车的行驶里程翻倍。
然而，锂金属电池的主要问题是库仑效率低 - 即，它们在停止工作之前经历有限数量的循环。随着电池循环，其活性锂和电解质的储存耗尽。
研究人员长期以来一直怀疑这是由于阳极和电解质之间的固体电解质中间相（SEI）层的生长。尽管研究人员已经开发出各种方法来控制和稳定SEI层，但他们仍然没有完全解决锂金属电池的问题。
电池仍然失效，因为在这些电池中形成了大量不活泼的锂。所以还有一个重要的方面被忽略了。
研究人员发现，罪魁祸首是锂金属沉积物，当电池放电时，锂金属沉积物会从阳极上脱落，然后被困在SEI层中。在那里，它们失去了与阳极的电连接，变成了不能再通过电池循环的非活性锂。被捕获的锂是降低电池库仑效率的主要原因。并将水加入装有在循环半电池上形成的惰性锂样品的密封烧瓶中。任何未反应的锂金属都与水发生化学反应生成氢气。通过测量产生的气体量，研究人员可以计算出被困锂金属的含量。非活性锂也由另一种成分组成：锂离子，它是SEI层的组成部分。它们的量也可以简单地通过从无活性锂的总量中减去未反应的锂金属的量来计算。这是一个重要的发现，因为它表明锂金属电池的主要故障产品是未反应的金属锂而不是SEI。这是以超高精度量化非活性锂的两种组分的可靠方法，这是其他表征工具无法做到的。电池研究人员面临的一个问题是实验室的测试条件非常不同，因此很难比较数据。这就像比较苹果和橙子。我们的方法可以使研究人员确定在电化学测试后形成多少非活性锂，无论他们使用何种类型的电解质或电池格式。通过研究不同电解质中锂沉积物的微观和纳米结构，研究人员回答了另一个重要问题：为什么有些电解质可以提高库仑效率，而有些则不然。
锂沉积物横截面的SEM图像，其结构根据所用电解质的类型而变化。左：柱状微结构，导致高库仑效率。右：多孔，曲折，晶须状微观结构，降低库仑效率
答案与电池充电时锂在阳极上的沉积方式有关。一些电解质导致锂形成微米和纳米结构，从而提高电池性能。
例如，在通用汽车合作伙伴专门设计的电解液中，锂沉积为密集的柱状块。这种类型的结构导致较少的未反应的锂金属在放电期间作为无活性的锂被捕获在SEI层中。结果是第一个循环的库仑效率为96％。
相反，当使用商业碳酸盐电解质时，锂沉积具有扭曲的晶须状形态。在剥离过程中，这种结构导致更多的锂金属被捕获在SEI中。库仑效率降低至85％。
控制微观和纳米结构是关键。我们希望我们的见解将激发新的研究方向，将可充电锂金属电池提升到新的水平。—Professor Meng
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