用于锂金属电池的双功能添加剂——科学家使用四种不同的光束线来揭示锂金属电池在电解质添加剂存在下的行为全貌

• Inara Aguiar

美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的研究人员采用电解质添加剂来改善高能量密度锂金属电池的功能。通过在分隔电池阳极和阴极的电解液中添加硝酸铯，锂金属电池的充电速率显着提高，同时保持较长的循环寿命。

锂金属电池具有锂金属阳极，而不是锂离子电池中存在的石墨阳极。“锂金属电池很有吸引力，因为它可以提供两倍于石墨阳极电池的能量密度，”布鲁克海文电化学储能小组的研究助理、最近发表在《自然通讯》上的论文的第一作者穆罕默德·莫米努尔·拉赫曼（Muhammad Mominur Rahman）解释说。“但还有很多挑战需要解决。”

从左到右：布鲁克海文光束线科学家 Sanjit Ghose 与化学家 Enyuan Hu 和 Muhammad Mominur Rahman 在国家同步加速器光源 II X 射线粉末衍射光束线处。

（图片来源：Jessica Rotkiewicz/布鲁克海文国家实验室）

这些挑战之一是寻找能够形成有效界面的电解质。这种保护层可防止电池电极退化，是制造可与当今最先进的电池一样频繁充电和放电的锂金属电池的关键。

“我们希望提高当前最先进的锂金属电池的充电速率，”拉赫曼解释道。“但我们还希望通过更具保护性的界面来稳定电池，以便它们的使用寿命更长。”

电化学储能组首席研究员胡恩元和他的团队是 Battery500 联盟的成员，该联盟是多个国家实验室和大学的合作项目。该联盟的主要目标之一是制造能量密度为每公斤500瓦时的电池，这是当前锂离子电池能量密度的两倍多。

通常，能够实现电池快速充电的电解质也可能与锂金属阳极发生反应。如果这些化学反应不受控制地进行，电解质就会分解并缩短电池的循环寿命。为了防止这种情况发生，布鲁克海文的科学家决定设计界面。

先前的研究表明，铯添加剂可以稳定锂金属阳极。但为了提高充电速率同时保持电池循环寿命，阳极和阴极必须同时稳定。研究人员相信硝酸铯可以用于锂金属电池的这一目的。正如他们所假设的，正铯离子积聚在电池带负电的锂金属阳极侧，而负硝酸根离子则积聚在带正电的阴极上。

四个光束线揭示电池行为

为了更好地了解硝酸铯添加剂如何影响电解质组成和电池性能，科学家们在布鲁克海文实验室的美国能源部科学办公室用户设施国家同步加速器光源II（NSLS-II）使用了四条不同的光束线。

先前的研究表明，铯添加剂可以稳定锂金属阳极。但为了提高充电速率同时保持电池循环寿命，阳极和阴极必须同时稳定。研究人员相信硝酸铯可以用于锂金属电池的这一目的。正如他们所假设的，正铯离子积聚在电池带负电的锂金属阳极侧，而负硝酸根离子则积聚在带正电的阴极上。

使用X射线粉末衍射（XPD）光束线的结果表明，硝酸铯添加剂增加了已知组分的存在，使界面更具保护性。值得注意的是，除了典型的晶体成分外，还鉴定出一种名为双（氟磺酰基）酰亚胺铯的化合物。拉赫曼强调：“这种间期成分以前从未被报道过。”。

“但这不仅仅是我们的发现，”胡补充道。“这也是中间相所缺失的。”

研究电池的科学家普遍认为氟化锂是良好界面的必要组成部分。令人惊讶的是，它不在那里。“我们不知道为什么它不在那里，”胡说。“但事实上，这种不含氟化锂的中间相能够实现长循环寿命和快速充电，这一事实激励我们重新审视目前对中间相的理解。”

他们使用亚微米分辨率 X 射线光谱 (SRX) 光束线，定量分析了循环后电池电极及其各自界面上收集的化学元素。扫描 XRF 图像证实阳极界面相中存在的铯多于阴极界面相中的铯。硝酸铯添加剂还可以防止构成阴极的过渡金属的分解，有助于阴极和锂金属电池的整体稳定性。

研究中还使用了快速 X 射线吸收和散射 (QAS) 以及原位和操作软 X 射线光谱 (IOS) 光束线，并对各个电极上存在的原子的化学和电子状态进行了详细分析。

此外，在功能纳米材料中心（CFN）的材料合成和表征设施中进行的扫描电子显微镜实验表明，当将硝酸铯添加到电解质中时，电化学反应形成的锂均匀沉积，有助于电极的稳定。

通过将两个用户设施的各种技术相结合，科学家们可以全面了解锂金属电池在硝酸铯添加剂的作用下的表现。拉赫曼说：“锂金属电池已经取得了长足的进步，但仍有很长的路要走。相间在仍需取得的进展中发挥着关键作用。”。“我们的工作为相间工程创造了新的机会，我希望这将激励其他人以不同的方式看待相间，从而加快锂金属电池的开发。”

原始出版物

Rahman, M.M., et al.: An inorganic-rich but LiF-free interphase for fast charging and long cycle life lithium metal batteries. Nat Commun (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-44282-z

作者简介

Inara Aguiar 是科学编辑和作家，拥有无机化学博士学位。在获得计算化学博士后，她开始担任化学、工程、生物工程和生物化学领域的科学编辑。她一直在多家科学出版商担任技术作家/编辑，最近作为自由职业者内容创作者加入 Wiley Analytical Science。

文章来源：A dual-functional additive for fast charging and long cycle life of lithium metal batteries，Microscopy Electron and Ion Microscopy Light Microscopy ，WILEY, Analytical Science，9 February 2024

供稿：符 斌