揭晓/刘俊Nature Energy：高效沉积策略，控制锂金属软包电池膨胀！

第一作者：Dianying Liu, Bingbin Wu

通讯作者：揭晓、刘俊

成果速览

本研究深入探讨了外部压力对锂金属电池电镀和剥离行为的影响，并提出了一种两阶段循环过程，实现了软包电池膨胀控制在10%以下，与现有的锂离子电池相当。

通过混合设计，监测和量化了自生成压力，并将其与观察到的充放电过程相关联。研究结果表明，通过适当的外部压力和平衡的电池设计，可以有效抑制锂金属软包电池在循环过程中的体积膨胀。

图文导读

图1：展示了在不同初始外部压力下测试的350 Wh kg^−1 Li/NMC622软包电池的原位压力监测结果。图中显示了前五个循环中自生成压力的变化，以及每个循环结束时的压力比较，突出了不同初始压力下软包电池之间的差异。

图2：描述了Li/NMC622软包电池中锂利用的不同阶段。在初始阶段，阳极侧的锂离子从NMC阴极沉积。随着循环的进行，NMC阴极的锂离子逐渐不可逆地损失，而锂金属箔开始参与电化学反应。

图3：展示了在不同初始压力下经过大量循环后的锂金属软包电池的前后对比。即使在最低压力110 kPa下，经过304个循环后，电池膨胀仅为8.2%。

图4：通过压力映射系统监测了350 Wh kg^−1软包电池表面的压力分布。图中显示了在不同充电次数结束时的压力变化，以及放电结束时的压力分布，揭示了电池表面反应活性的变化。

图5：通过实验和理论计算，研究了电镀过程中锂离子绕路行为。图中展示了锂离子在阳极表面的非均匀分布，以及这种分布如何影响锂离子的运动轨迹和电池性能。

亮点介绍

1. 提出了一种新的两阶段循环过程，有效控制了高能量锂金属软包电池的膨胀，使其与现有锂离子电池相当。

2. 通过混合设计，实现了对锂金属电池自生成压力的监测和量化，为理解电池性能提供了新的视角。

3. 研究揭示了外部压力对锂金属电池电镀和剥离行为的复杂影响，为锂金属电池的设计和优化提供了重要指导。

4. 通过压力映射技术，首次在大面积电池上揭示了锂离子在电镀过程中的“绕路”行为，为解决不均匀锂镀层提供了新思路。

高端表征

在本论文中，作者们采用了一系列的高端表征技术来深入理解锂金属电池的性能和机制。

透射电镜: 作者们使用了300 kV FEI Titan monochromated扫描透射电子显微镜(S)TEM，配备了探针像差校正器，对循环后的锂金属阳极进行了详细的表征。通过这种高端的表征技术，可以获得锂金属阳极的微观结构和形貌信息，这对于理解电池在循环过程中的体积变化和性能衰减至关重要。

原位测试 : 论文中使用了原位压力测试，这是一种在电池工作过程中实时监测电池内部压力变化的技术。通过使用Loadstar Sensors型号DI-1000UHS的压力测量系统，作者们能够在充放电循环过程中实时记录电池的压力数据，从而更好地理解电池膨胀和收缩的动态过程。这种测试对于评估电池的结构稳定性和预测其寿命具有重要意义。

计算模拟

在本论文中，作者们采用了基于第一性原理的计算方法，密度泛函理论DFT计算，来深入理解锂金属电池中锂离子的行为和电化学过程。

研究中进行了DFT计算，以分析不同压力条件下锂金属阳极表面的电势和电场分布。通过这些计算，作者们能够预测和解释锂离子在阳极表面的非均匀分布现象，即所谓的“锂离子绕路”行为。DFT计算结果揭示了外部压力如何影响锂离子在阳极表面的沉积过程，从而为优化电池设计和提高电池性能提供了理论依据。

文献信息

标题：Controlled large-area lithium deposition to reduce swelling of high-energy lithium metal pouch cells in liquid electrolytes

期刊：Nature Energy