快速冷冻揭示了锂电池退化的新见解

美国的研究人员已经做到了仔细观察锂金属电池内部的化学成分和结构。通过快速冷冻来观察金属电极和液体电解质之间的界面，他们发现了电极退化的一个新方面，这有助于解释随着时间的推移电池容量的损失。

莉娜Kourkoutis和她在纽约康奈尔大学的团队采用了一种在生物学中更常用的技术，通过快速冷冻来固定标本。他们用冷冻扫描透射电子显微镜(cro - stem)检查了通过快速冻结的电极-电解质界面的薄片获得2017年诺贝尔化学奖。

“锂金属电池有巨大的潜力，因为它们有非常高的能量存储能力，”库尔库蒂斯说。“小问题是它们不安全，经常在充放电几次循环后就会起火。”

如果一根指状的材料(称为枝晶)开始在阳极上形成，并穿过电解质接触阴极，就会发生这种情况。这会导致电池短路，引发热失控和火灾。如今，金属锂仅被用作不可充电电池的阳极，以避免这种短路风险。

低温stem显示，在固体电解质界面层(SEI)上有一层乙烯二碳酸锂，比之前认为的要厚得多，并且锂阳极上生长着两种不同类型的枝晶。Kourkoutis说，除了预期中的锂金属枝晶，还有另一种更令人惊讶的形式，由氢化锂制成。她解释说:“第二类树突非常重要，因为它们很薄，很脆，而且是缠绕的结构，在电池充放电循环过程中很可能从电极上脱落。”一旦锂脱落，它就无法重新整合到阳极，从而降低了电池的充电能力。

Kourkoutis说电解液的分解会在界面处产生乙烯，从而提供氢气来制造氢化锂。用氟化替代品氟乙烯碳酸酯代替含氢电解质，抑制氢化锂枝晶的形成，提高电池性能，降低电池容量衰退。

“这些发现是革命性的，”他说大卫Mitlin他是美国克拉克森大学的一位电化学家。“氢化物非常脆弱。如果你增加了相当一部分氢化物，这对(界面)层的机械性能以及如何调整它有巨大的影响。”

氢化物对他来说是一个完全的惊喜，他建议需要“重新考虑电解质分解反应”，以及界面层是否“比人们最初想象的更不稳定”。

“这将是一种有趣的方法，应用于研究商业锂离子电池中的锂电镀或枝晶，”他说凡妮莎木他是苏黎世瑞士联邦理工学院的材料科学家。他说，目前面临的一个挑战是获得观察固体-电解质间相所需的分辨率，而固体-电解质间相通常要小一个数量级。

米特林说，树突阻碍了可充电锂金属电池的商业化。“这并不能解决树突生长的问题，但可以改变人们对这个问题的看法，这可能是找到解决方案的关键。”