刘俊/Jie Xiao连发两篇Nat. Energy，350 Wh/kg锂金属电池来了！

锂金属电池（LMB）因其高能量密度受到广泛的关注。然而，尽管LMB的能量密度可以设计，但是其循环性能不可预测，各种原因可能导致了电池容量下降。然而，确切的原因尚未确定，更不用说采用策略来避免电池的过早死亡。虽然高库仑效率（CE）经常被认为是LMB循环寿命的衡量标准，但当阳极中存在额外的锂时，CEs无法直接与预测LMBs的循环寿命联系起来。

▲西北太平洋国家实验室（PNNL）刘俊/Jie Xiao之前曾报道过锂离子和电解质的耗竭率，无论哪一个先出现，都可能决定LMB的寿命，特别是当使用不稳定的电解质与锂发生反应并消耗时[Nature Energy 4, 551–559 (2019)]。通常认为，电池中，较厚的锂阳极通常比电解质充足的薄阳极循环更长。然而，当使用好的电解质时，锂的消耗率会大大降低。电解质干涸和SEI的积累导致电池阻抗增加（特别是在长循环后），并最终决定电池电池寿命的结束。那么问题来了：

1. 如何确定来平衡阴极和与电解质的界面反应所需的锂量？

2. 什么从根本上决定了平衡的界面反应？

3， 我们是否可以设计一个平衡单元，以补偿循环过程中持续的锂损失，并尽量减少SEI层的积累？

为了解决这个问题，刘俊/Jie Xiao再次合作，又发表了一篇Nature Energy（两篇文章第一作者都是Chaojiang Niu，厉害！）。

在这项工作中，作者研究了四种类型的350 Wh/kg的Li||LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O2（Li||NMC622）软包电池（2.0 Ah）的电化学性质。所有软包电池中使用的阴极和电解质相同；N/P比通过将Li阳极厚度从100 μm降至50 μm、20 μm和0（裸铜）来控制，如图1所示。

图1. 四种不同类型的350 Wh/kg的软包电池

结果表明，在厚Li的软包电池(100 μm和50 μm Li, N/P比≥2.5)中，初始循环始终非常稳定;然而，随着循环的继续，干SEI层的积累增加了电池的极化，这逐渐成为主导，特别是在电池失效时。因此，在同一电化学窗口内，一旦极化变得足够高，就会出现突然的容量下降，从而结束电化学反应。由于阳极中多余的锂可以弥补锂源的损失，锂电池中的CE被人为地提高到几乎100%。

优化的20 μm薄锂(N/P比为1:1)产生了一个薄的、均匀的SEI层(含较少的干SEI)，并在现实约束条件下有效平衡了Li消耗率、电解液消耗速度和SEI积累率之间的竞争。从而最大限度地减少电池在循环过程中的极化，延长电池循环寿命。与传统的认为较厚的锂通常产生较长的循环寿命的观点相反，作者发现在实际高能LMB中使用薄锂阳极可以获得较长的循环寿命。

一个350 Wh kg⁻¹软包电池(2 Ah)的原型实现了600次稳定循环，容量保持在76%，这是可充电高能LMB的里程碑。

图2. 在2.0 Ah水平下，研究了4种类型350 Wh/kg Li||NMC622软包电池的电化学性能

图3. NMC622电极在350 Wh/kg软包电池中长时间循环后的表征

图4. 锂金属阳极在四种类型的软包电池中循环前后的拆解表征

图5. 循环后软包电池厚度平均膨胀厚度比较

图6. 电池的降解机制和容量损失模型

通过调整软包电池中的锂金属厚度，作者发现电池降解机制取决于可用锂的量、电解质消耗速度和SEI积累速度之间的竞争。这种理解有助于解释从厚锂阳极到薄锂阳极，无锂阳极的不同循环行为。

这项研究表明，SEI结构的演变不仅取决于电解质。可容纳SEI层的Li表面在平衡界面相互作用和减缓“干SEI”层的生成方面也发挥了重要作用。本工作揭示了锂金属厚度、SEI结构和最终循环寿命之间的基本联系。

刘俊教授是美国西北太平洋国家实验室材料转化科学实验室主任，著名杂志Nano Energy副主编。主要研究领域包括纳米功能材料的合成与表征，以及在能源储存、化学转换和能源、环境和人类健康方面的应用等。刘俊教授获奖100余次，并被评为2007年杰出电池发明家，2012年美国西北太平洋国家实验室发明家。已发表学术论文350多篇，研究成果被Science、Nature、Scientific America等著名杂志亮点评述。

Jie Xiao博士目前是美国西北太平洋国家实验室的首席科学家。她还在阿肯色大学化学与生物化学系担任联合职位。她于2008年获得纽约州立大学宾厄姆顿分校材料化学博士学位。她在武汉大学获得学士学位(2001)和硕士学位(2004)。她的研究兴趣从材料合成、电化学催化/动力学到高级表征，旨在了解能量相关材料的合成-结构-性能关系及其潜在的反应机制。特别感兴趣的是识别用于能量储存和转换的新材料和新技术。她一直致力于能源相关材料和系统的实际应用和基础研究，从声学鱼标签的微型电池到先进电池都有涉及。已发表期刊论文100余篇(谷歌H-index= 72，引用21,225)和2本书章节。自2017年以来，她连续被科睿唯安评为材料化学领域高被引研究前1%。

Niu, C., Liu, D., Lochala, J.A. et al. Balancing interfacial reactions to achieve long cycle life in high-energy lithium metal batteries. Nat Energy (2021).

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00852-3