由能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的化学家领导的一组研究人员确定了锂金属阳极电池中发生的反应机制的新细节。今天发表在Nature Nanotechnology 上的研究结果是朝着开发更小、更轻、更便宜的电动汽车电池迈出的重要一步。

再造锂金属阳极

传统的锂离子电池可以在从智能手机到电动汽车的各种电子产品中找到。虽然锂离子电池已经使许多技术得到广泛应用，但它们在为电动汽车长距离供电方面仍然面临挑战。

为了制造更适合电动汽车的电池，几个国家实验室和能源部资助的大学的研究人员组成了一个名为 Battery500 的联盟，由能源部的太平洋西北国家实验室 (PNNL) 领导。他们的目标是制造能量密度为每公斤 500 瓦时的电池，这是当今最先进电池能量密度的两倍多。为此，该财团正专注于用锂金属阳极制成的电池。

与最常使用石墨作为阳极的锂离子电池相比，锂金属电池使用锂金属作为阳极。

“锂金属阳极是实现 Battery500 所寻求的能量密度的关键组件之一，”该研究的主要作者、布鲁克海文化学家胡恩元说。“它们的优势是双重的。首先，它们的比容量非常高;其次，它们提供了更高电压的电池。这种组合导致了更大的能量密度。”

科学家们早就认识到锂金属负极的优势;事实上，它们是第一个与阴极耦合的阳极。但由于它们缺乏“可逆性”，即通过可逆电化学反应充电的能力，电池界最终用石墨阳极取代了锂金属阳极，创造了锂离子电池。

现在，经过几十年的进步，研究人员相信他们可以使锂金属负极可逆，超越锂离子电池的极限。关键是中间相，即电化学反应过程中在电池电极上形成的固体材料层。

“如果我们能够充分了解中间相，我们可以为材料设计提供重要指导，并使锂金属负极具有可逆性，”胡说。“但是了解中间相是一个相当大的挑战，因为它是一个非常薄的层，厚度只有几纳米。它对空气和水分也非常敏感，这使得样品处理非常棘手。”

可视化 NSLS-II 的界面

为了应对这些挑战并“看到”中间相的化学组成和结构，研究人员求助于国家同步加速器光源 II (NSLS-II)，这是位于布鲁克海文的能源部科学用户设施，可产生超亮 X 射线用于研究原子尺度的材料特性。

“NSLS-II 的高通量使我们能够查看非常少量的样本，但仍能生成非常高质量的数据，”胡说。

除了整体上 NSLS-II 的先进功能外，研究团队还需要使用光束线(实验站)，该光束线能够以高能量(短波长)X 探测界面的所有成分，包括结晶和非晶相-射线。该光束线是 X 射线粉末衍射 (XPD) 光束线。

“化学团队利用 XPD 的多模态方法，使用光束线提供的两种不同技术，X 射线衍射 (XRD) 和对分布函数 (PDF) 分析，”XPD 的首席光束线科学家 Sanjit Ghose 说。“XRD 可以研究结晶相，而 PDF 可以研究非晶相。”

XRD 和 PDF 分析揭示了令人兴奋的结果：界面中存在氢化锂 (LiH)。几十年来，科学家们一直在争论中间相中是否存在 LiH，这给形成中间相的基本反应机制留下了不确定性。

“当我们第一次看到 LiH 的存在时，我们非常兴奋，因为这是第一次使用具有统计可靠性的技术证明 LiH 存在于相间。但我们也很谨慎，因为人们长期以来一直对此表示怀疑，”胡说。

共同作者、布鲁克海文化学部的物理学家 Xiao-Qing Yang 补充说：“LiH 和氟化锂 (LiF) 具有非常相似的晶体结构。我们对 LiH 的主张可能会受到那些认为我们将 LiF 误认为是 LiH 的人的质疑。”

鉴于围绕这项研究的争议，以及区分 LiH 与 LiF 的技术挑战，研究团队决定提供多条证据证明 LiH 的存在，包括空气暴露实验。

“LiF 是空气稳定的，而 LiH 不是，”杨说。“如果我们将中间相暴露在潮湿的空气中，并且如果被探测的化合物的量随着时间的推移而减少，那将证实我们确实看到了 LiH，而不是 LiF。这正是发生的事情。因为 LiH 和 LiF 难以区分并且之前从未进行过空气暴露实验，在许多文献报道中，LiH 很可能被误认为是 LiF，或者由于 LiH 与水分发生分解反应而没有观察到。”

Yang 继续说道，“在 PNNL 进行的样品制备对这项工作至关重要。我们还怀疑许多人无法识别 LiH，因为他们的样品在实验前已经暴露在湿气中。如果您不收集样品，请将其密封，并正确运输它，你错过了。”

除了确定 LiH 的存在外，该团队还解决了另一个以 LiF 为中心的长期难题。LiF 被认为是相间的一种受欢迎的成分，但尚不完全清楚原因。该团队确定了中间相中的 LiF 和本体中的 LiF 之间的结构差异，前者促进了阳极和阴极之间的锂离子传输。

“从样品制备到数据分析，我们与 PNNL、陆军研究实验室和马里兰大学密切合作，”该研究的第一作者布鲁克海文化学家 Zulipiya Shadike 说。“作为一名年轻的科学家，我在进行实验和与其他团队交流方面学到了很多东西，尤其是因为这是一个极具挑战性的话题。”

胡补充说：“这项工作是通过结合年轻科学家的雄心壮志、资深科学家的智慧以及团队的耐心和韧性而实现的。”

除了机构之间的团队合作，布鲁克海文实验室化学部和 NSLS-II 之间的团队合作继续推动新的研究成果和能力。

“化学部的电池组致力于解决电池领域的各种问题。他们处理正极、负极和电解质，他们继续为 XPD 带来新问题来解决和挑战样品研究，”Ghose 说。“成为其中的一部分令人兴奋，但它也帮助我开发了其他研究人员在我的光束线上使用的方法。目前，我们正在开发运行原位和操作实验的能力，因此研究人员可以以更高的空间分辨率扫描整个电池因为电池在循环。”

科学家们将继续在布鲁克海文实验室部门、其他国家实验室和大学的电池研究方面进行合作。他们表示，这项研究的结果将为锂金属负极提供急需的实践指导，推动对这种有前途的材料的研究。