第一作者：Dianying Liu, Bingbin Wu

通訊作者：揭曉、劉俊

成果速覽

本研究深入探討了外部壓力對鋰金屬電池電鍍和剝離行為的影響，并提出了一種兩階段循環(huán)過程，實現(xiàn)了軟包電池膨脹控制在10%以下，與現(xiàn)有的鋰離子電池相當。

通過混合設計，監(jiān)測和量化了自生成壓力，并將其與觀察到的充放電過程相關聯(lián)。研究結果表明，通過適當?shù)耐獠繅毫推胶獾碾姵卦O計，可以有效抑制鋰金屬軟包電池在循環(huán)過程中的體積膨脹。

圖文導讀

圖1：展示了在不同初始外部壓力下測試的350 Wh kg^?1 Li/NMC622軟包電池的原位壓力監(jiān)測結果。圖中顯示了前五個循環(huán)中自生成壓力的變化，以及每個循環(huán)結束時的壓力比較，突出了不同初始壓力下軟包電池之間的差異。

圖2：描述了Li/NMC622軟包電池中鋰利用的不同階段。在初始階段，陽極側的鋰離子從NMC陰極沉積。隨著循環(huán)的進行，NMC陰極的鋰離子逐漸不可逆地損失，而鋰金屬箔開始參與電化學反應。

圖3：展示了在不同初始壓力下經(jīng)過大量循環(huán)后的鋰金屬軟包電池的前后對比。即使在最低壓力110 kPa下，經(jīng)過304個循環(huán)后，電池膨脹僅為8.2%。

圖4：通過壓力映射系統(tǒng)監(jiān)測了350 Wh kg^?1軟包電池表面的壓力分布。圖中顯示了在不同充電次數(shù)結束時的壓力變化，以及放電結束時的壓力分布，揭示了電池表面反應活性的變化。

圖5：通過實驗和理論計算，研究了電鍍過程中鋰離子繞路行為。圖中展示了鋰離子在陽極表面的非均勻分布，以及這種分布如何影響鋰離子的運動軌跡和電池性能。

亮點介紹

1. 提出了一種新的兩階段循環(huán)過程，有效控制了高能量鋰金屬軟包電池的膨脹，使其與現(xiàn)有鋰離子電池相當。

2. 通過混合設計，實現(xiàn)了對鋰金屬電池自生成壓力的監(jiān)測和量化，為理解電池性能提供了新的視角。

3. 研究揭示了外部壓力對鋰金屬電池電鍍和剝離行為的復雜影響，為鋰金屬電池的設計和優(yōu)化提供了重要指導。

4. 通過壓力映射技術，首次在大面積電池上揭示了鋰離子在電鍍過程中的“繞路”行為，為解決不均勻鋰鍍層提供了新思路。

高端表征

在本論文中，作者們采用了一系列的高端表征技術來深入理解鋰金屬電池的性能和機制。

透射電鏡: 作者們使用了300 kV FEI Titan monochromated掃描透射電子顯微鏡(S)TEM，配備了探針像差校正器，對循環(huán)后的鋰金屬陽極進行了詳細的表征。通過這種高端的表征技術，可以獲得鋰金屬陽極的微觀結構和形貌信息，這對于理解電池在循環(huán)過程中的體積變化和性能衰減至關重要。

原位測試 : 論文中使用了原位壓力測試，這是一種在電池工作過程中實時監(jiān)測電池內部壓力變化的技術。通過使用Loadstar Sensors型號DI-1000UHS的壓力測量系統(tǒng)，作者們能夠在充放電循環(huán)過程中實時記錄電池的壓力數(shù)據(jù)，從而更好地理解電池膨脹和收縮的動態(tài)過程。這種測試對于評估電池的結構穩(wěn)定性和預測其壽命具有重要意義。

計算模擬

在本論文中，作者們采用了基于第一性原理的計算方法，密度泛函理論DFT計算，來深入理解鋰金屬電池中鋰離子的行為和電化學過程。

研究中進行了DFT計算，以分析不同壓力條件下鋰金屬陽極表面的電勢和電場分布。通過這些計算，作者們能夠預測和解釋鋰離子在陽極表面的非均勻分布現(xiàn)象，即所謂的“鋰離子繞路”行為。DFT計算結果揭示了外部壓力如何影響鋰離子在陽極表面的沉積過程，從而為優(yōu)化電池設計和提高電池性能提供了理論依據(jù)。

文獻信息

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

期刊：Nature Energy