陶新永团队在Nature Energy发表锂金属电池研究领域突破性进展

移动电子产品的待机时间和电动汽车的续航里程取决于所用锂离子电池的比能量。近年来，新型高比能金属锂二次电池得到广泛关注，它采用锂负极代替传统石墨负极，比能量远高于现有锂离子电池体系，是当前新能源领域的研究前沿和热点。

“但是锂负极存在锂枝晶，就像光滑的金属表面长了一层毛刺。锂枝晶不仅容易与电解液发生副反应，消耗电解液和产生“死”锂，造成电池容量衰减，而且容易刺穿隔膜导致短路，诱发电池安全问题。”tyc1286太阳集团材料科学与工程学院陶新永教授说到。多年来他和团队一直从事绿色储能材料及锂金属电池材料研究。

在国家自然科学基金项目（批准号：51722210、51972285、52071295）资助下，陶新永教授、张文魁教授等人借助冷冻透射电子显微镜技术定量化研究了金属锂负极固态电解质界面膜的化学成分，揭示了“死”锂的形成和演变机制，并提出了通过卤素的氧化还原反应来消除金属锂负极固态电解质界面上的锂枝晶、“死”锂等，并实现“死”锂回收利用的新策略。

图1 死锂的形貌、结构及化学组成

该工作通过冷冻透射电子显微镜技术发现：失效的固态电解质界面阻断了金属“死”锂的导电通路，产生了金属“死”锂碎片；氧化锂是常规醚类和酯类电解液体系下金属锂负极表面固态电解质界面膜的重要组成部分（图1）。

基于此，研究团队提出了通过碘介体的氧化还原反应来实现“死”锂激活和利用，设计了以生物质碳负载碘的缓释型胶囊，结合氧同位素示踪分析、紫外可见光谱等测试技术以及理论计算证实了以下三个科学发现：

一是碘氧化还原反应具有高度自发性和可逆性，以中间产物碘化锂作为锂元素的载体，碘酸锂作为氧元素的载体，配合如磷酸亚铁锂正极等材料的高电位氧化作用，可以实现“死”锂的激活和利用（图2）；

二是缓释型生物质碳负载碘胶囊可以有效降低局部电流密度，实现锂的均匀沉积，减少锂枝晶；

三是碘介质相较于电解液中的溶剂分子和锂盐具有更高电子亲和性，会优先与锂反应，从而抑制电解液的分解。

图2 死锂激活再利用的反应机制

该研究提出的方法另辟蹊径，首次提出了动态修饰锂金属表面的概念，聚焦在“死”锂的激活和再利用，将非活性氧化锂和锂金属碎片中的锂源巧妙地迁移到正极材料中，避免了金属锂电池的锂损失，大大提升了金属锂电池的循环寿命。

▲陶新永教授在国际会议上作学术报告

不仅如此，陶新永还进一步分析道：“这种对失活电极材料的激活策略可进一步拓展到不同的负极材料体系，包括硅、锡及合金负极等，有望助力这些负极材料的规模化应用。”

该成果今年以“利用碘介质氧化还原激活锂金属负极中的死锂（Rejuvenating dead lithium supply in lithium metal anodes by iodine redox）”为题发表在《Nature Energy》上。材料学院博士生金成斌和校聘教授刘铁峰博士为共同第一作者，陶新永教授为通讯作者。这是tyc1286太阳集团以第一单位首次在该期刊上发文。

▲陶新永教授（前排左四）团队参加中国化学会年会

《Nature Energy》是《自然》杂志子刊，主要发表能源领域有重大突破性进展的高质量研究成果。最新影响因子为60.858，年发文量仅为100篇左右。