通讯作者：崔屹1998年崔屹获得中国科学技术大学理学学士学位；2002年在哈佛大学获得博士学位；2003年在加州大学伯克利分校从事博士后研究；2004年入选世界顶尖100名青年发明家；2005年进入斯坦福大学材料科学与工程系任教，先后担任助理教授、副教授、教授；2014年获得首届纳米能源奖；2017年获得布拉瓦尼克青年科学大奖之物质科学与工程技术奖。
现有的锂离子电池的工作温度都在室温（0-45 ℃）。人们认为随着温度的升高，副反应增加，循环性能下降。然而，作者发现高温下运行的锂金属电池其性能反而增强。60 ℃，以醚为电解液下Cu/Li电池在300个稳定循环后平均库仑效率依然达到99.3％，但是在20 ℃下，库仑效率在75个循环内急剧下降。冷冻电子显微镜揭示了在60° C时出现的完全不同的固体电解质界面纳米结构，其保持了机械稳定性，抑制连续的副反应并保证良好的循环稳定性和低电化学阻抗。
当温度降至0 ℃以下时，由于电解质粘度增加，极化强度大和界面动力学缓慢，可逆电池容量降低。此外，在高温下由于电极材料的副反应增加，循环稳定性下降。因此，人们认为LIB中的最佳性能通常在15至35° C之间。
以Cu/Li电池为例来探究温度对电池性能的影响。从实验中发现，在较高温度下循环的Cu/Li电池的容量保有率比低温下循环的好。此外，与20 ℃下循环的电池相比，在60 ℃下循环的Cu/Li电池表现出长期循环稳定性（图2b）;在60 ℃下的300次循环后容量保有率高达99-99.8％，而在20 ℃下的容量保有率在75次循环后下降至79.7％。
从冷冻电镜结果发现，锂金属在电解质体系中以球形颗粒生长。在60 ℃下沉积的Li金属颗粒的尺寸大于在20 ℃下沉积的尺寸（图3a，e），这可归因于较小的过电位和较高温度下的较快的电荷转移。类似地，在60 ℃下形成了比在20 ℃下更厚的SEI层（35 nm对20 nm）（图3b，f）。此外，一种独特的SEI纳米结构在高温下出现。在20 ℃形成的SEI由无定形聚合物中间相组成（图3c，d），在60 ℃形成的SEI具有层状纳米结构（图3g，h）。
通过电化学阻抗谱（EIS）也证实了在高温下电池较好的电化学性能（图5）。实验发现电阻随着温度的升高而降低，在-20 ℃，0 ℃，20 ℃和60 ℃下运行的电池第一次循环后内阻分别为224,134,32和7 Ω。作者将较高温度下的较低电阻归因于电解质粘度降低，这使得电极/电解质接触更好，极化更弱，离子转移势垒更低。
从电化学循环性能上发现，60 ℃时锂化和去锂化电压平台之间的差异相对于20 ℃降低，在60 ℃下操作的半电池的容量远高于在20℃下的容量。
总之，作者发现高温可以产生有利的SEI纳米结构，扩大Li粒度并提供更快的动力学，从而提高容量保有率（CE）和循环稳定性。冷冻电镜表征揭示了在60 ℃下形成的有机/无机复合层状SEI，不同于在20 ℃下形成的无定形聚合物SEI。阻抗谱分析表明，阻抗随温度升高而降低，并在60 ℃循环期间保持稳定，这进一步说明了在高温下实现的高性能。
Improving cyclability of Li metal batteries at elevated temperatures and its origin revealed by cryo-electron microscopy (Nature Energy, 2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0413-3)
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0413-3
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