在續(xù)航里程焦慮的不斷刺激下，液態(tài)鋰金屬電池因其高能量密度而成為關(guān)注熱點(diǎn)，但鋰金屬負(fù)極的嚴(yán)重失效制約了鋰金屬電池的商業(yè)化發(fā)展。目前，學(xué)界對(duì)鋰金屬負(fù)極失效和保護(hù)的機(jī)理認(rèn)知尚存爭議。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，鋰枝晶的生長是金屬鋰負(fù)極失效的主要原因。然而，實(shí)際上，盡管文獻(xiàn)中報(bào)道了無枝晶生長的金屬鋰負(fù)極，但采用高面容量正極（≥ 2 mAh cm^-2）和超薄鋰負(fù)極（如50 μm）的實(shí)用型鋰金屬電池通常會(huì)在100個(gè)充放循環(huán)以內(nèi)發(fā)生容量跳水失效問題，這遠(yuǎn)不如相同容量下鋰離子電池的循環(huán)性能。當(dāng)拆開容量跳水失效的實(shí)用型鋰金屬軟包電池時(shí)，通常會(huì)觀察到金屬鋰負(fù)極嚴(yán)重粉化。但目前，學(xué)界仍不清楚金屬鋰負(fù)極粉化的起源及其組分。 

　　近年來，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心研究員崔光磊、董杉木，在鋰金屬電池和鋰金屬負(fù)極保護(hù)等領(lǐng)域取得了系列研究成果（Chem. Mater. 2017, 29, 4682-4689；Chem. Sci. 2018, 9, 3451-3458；Chem. Mater. 2018, 30, 12, 4039-4047；Angew. Chem. 2019, 131, 5997-6001；Small 2019, 15, 1900269；Chem. Mater. 2020, 32, 8, 3405-3413）。在推進(jìn)這些工作的過程中，研究人員通過在線差分電化學(xué)質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)，在充放電過程中，鋰金屬電池中會(huì)產(chǎn)生大量H₂，鋰金屬負(fù)極會(huì)不會(huì)與H₂反應(yīng)形成LiH？LiH會(huì)不會(huì)是鋰金屬負(fù)極的膨脹粉化失效的罪魁禍?zhǔn)祝垦芯咳藛T把在線差分電化學(xué)質(zhì)譜系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)在線滴定氣體分析功能。通過氘水（D₂O）滴定金屬鋰負(fù)極（判據(jù)：2Li + 2D₂O → 2LiOD + D₂↑；LiH + D₂O → LiOD + HD↑），該研究首次發(fā)現(xiàn)，失效粉化的金屬鋰負(fù)極中存在大量導(dǎo)電性差的氫化鋰（LiH）；實(shí)用型鋰金屬電池（2.805 mAh cm^-2 LiCoO₂, 50 μm Li）的循環(huán)性能與鋰金屬負(fù)極中LiH的積累呈負(fù)相關(guān)性。該研究揭示LiH的生成和分解由一個(gè)溫度敏感的化學(xué)平衡（Li + 1/2H₂ LiH）決定：在室溫條件下，界面副反應(yīng)產(chǎn)生的H₂與鋰金屬反應(yīng)生成LiH；通過加熱，LiH會(huì)部分分解產(chǎn)生導(dǎo)電性優(yōu)異且具有電化學(xué)活性的鋰金屬，從而恢復(fù)提升容量。研究表明，有效抑制H₂的產(chǎn)生和LiH的積累對(duì)鋰金屬負(fù)極的保護(hù)具有重要意義，這為實(shí)用型鋰金屬電池的發(fā)展提供了新思路：在正極側(cè)，電解液氧化產(chǎn)物R-H⁺穿梭到負(fù)極還原是H₂產(chǎn)生的主要原因，通過鈍化正極和配制含氫少的電解液兩種策略抑制R-H⁺的產(chǎn)生；通過隔膜或聚合物電解質(zhì)的功能化處理阻止R-H⁺穿梭到負(fù)極；在金屬鋰負(fù)極構(gòu)建儲(chǔ)氫或吸附氫能力強(qiáng)的界面保護(hù)材料，實(shí)際上，目前報(bào)道的能夠有效保護(hù)金屬鋰負(fù)極的界面組分（如LiF、 Li₃N、BN、Li₂O和納米碳材料等）均是優(yōu)異的儲(chǔ)氫材料；采用加熱加壓策略。此外，研究人員提示，應(yīng)該在各類電池體系中，加強(qiáng)電極界面上金屬氫化物的表征研究，這將開創(chuàng)電池界面研究的新方向。 

　　近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上，青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心教師許高潔、李杰東、王超為論文的共同第一作者，崔光磊、董杉木為論文通訊作者。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家杰出青年科學(xué)基金，中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。 

　　論文鏈接 

　　青島能源所提出實(shí)用型鋰金屬電池失效新機(jī)制及優(yōu)化新思路