崔屹教授：Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations

第一作者：Fang Liu

通讯作者：崔屹教授

通讯单位：斯坦福大学

研究背景

对下一代储能系统日益增长的需求，需要开发高性能的锂电池。不幸的是，由于固体电解质界面和孤立的锂（i-Li）的不断产生，目前的锂阳极表现出快速的容量衰减和短的循环寿命。在锂树枝的不均匀溶解过程中，i-Li的形成导致锂电池在大多数测试条件下的容量损失很大。由于i-Li失去了与集流体的电连接，它被认为在电池中没有电化学活性或 "死亡 "。

成果简介

鉴于此，与这一普遍接受的假设相矛盾的是，斯坦福大学崔屹教授（通讯作者）基于电解液中电场的动态极化，证明了i-Li在电池循环过程中具有高度敏感性。具体来说，锂金属的沉积和剥离同时发生在i-Li的两端，导致其在充电（放电）过程中向正极（负极）空间发展。仿真结果表明，i-Li的发展速率主要受其长度、方向和外加电流密度的影响。此外，成功地证明了在Li-Cu电池中具有超过100%的死锂恢复，并实现了循环寿命更长的LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂（NMC）-Li全电池。相关研究成果“Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations”为题发表在Nature上。

图文导读

图一、电场作用下i-Li的动态极化

图二、i-Li岛的形态演变和空间运动

图三、纽扣电池中i-Li过电位的量化

图四、纽扣电池放电过程中i-Li的移动与恢复

结论展望

总而言之，本文证明了由于电解液中存在电场，使得i-Li在电池循环过程中具有高度响应性。i-Li的动态极化导致其在充电（放电）过程中向正极（负极）的空间发展。通过快速放电促进其向负极生长，进一步证明了i-Li在Cu-Li和NMC-Li电池中的恢复作用。可以预计，本文对i-Li行为的机理研究将启发和指导未来锂金属电池的发展，同时为锂离子电池的快充提供指导性的意见。

文献信息

Fang Liu, Rong Xu, Yecun Wu, David Thomas Boyle, Ankun Yang, Jinwei Xu, Yangying Zhu, Yusheng Ye, Zhiao Yu, Zewen Zhang, Xin Xiao, Wenxiao Huang, Hansen Wang, Hao Chen，Yi Cui1^✉，Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations, 2021.

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04168-w

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