在續(xù)航里程焦慮的不斷刺激下，被稱為“圣杯”電池的液態(tài)鋰金屬電池因其極高的能量密度而成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點。然而，鋰金屬負極的嚴重失效制約了鋰金屬電池的商業(yè)化發(fā)展。目前，對鋰金屬負極失效和保護的機理認知尚存爭議。傳統(tǒng)觀點認為，鋰枝晶的生長是金屬鋰負極失效的主要原因。但實際上，盡管大量文獻報道了無枝晶生長的金屬鋰負極，但采用高面容量正極（≥ 2 mAh cm-2）和超薄鋰負極（例如50 m）的實用型鋰金屬電池通常會在100個充放循環(huán)以內(nèi)發(fā)生容量跳水失效問題，這遠遠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用型鋰金屬軟包電池時，通常會觀察到金屬鋰負極嚴重粉化。但目前，金屬鋰負極粉化的起源及其組分仍不清晰。
近年來，青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心崔光磊研究員和董杉木研究員，在鋰金屬電池和鋰金屬負極保護等科學(xué)領(lǐng)域持續(xù)攻堅克難，取得了一系列具有國際影響力的研究成果（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）。正是在這些工作推進的過程中，通過在線差分電化學(xué)質(zhì)譜研究發(fā)現(xiàn)：在充放電過程中，鋰金屬電池中會產(chǎn)生大量的H2，那么鋰金屬負極會不會與H2反應(yīng)形成LiH？LiH會不會是鋰金屬負極的膨脹粉化失效的罪魁禍首呢？秉承著“敢為天下先”和“精誠合作”的團隊精神，歷經(jīng)二年多的刻苦攻關(guān)，終于取得突破性成果。首先，團隊將在線差分電化學(xué)質(zhì)譜系統(tǒng)進行巧妙地升級，實現(xiàn)在線滴定氣體分析功能。而后，通過氘水（D2O）滴定金屬鋰負極（判據(jù)：2Li + 2D2O 2LiOD + D2 ; LiH + D2O LiOD + HD ），在國際上首次發(fā)現(xiàn)失效粉化的金屬鋰負極中存在大量導(dǎo)電性差的氫化鋰（LiH），且實用型鋰金屬電池（2.805 mAh cm-2 LiCoO2, 50 m Li）的循環(huán)性能與鋰金屬負極中LiH的積累呈負相關(guān)性。更重要的是，揭示了LiH的生成和分解是由一個溫度敏感的化學(xué)平衡（Li + 1/2H2 LiH）決定的：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；而通過加熱，LiH會部分分解產(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。該研究工作告訴我們，有效抑制H2的產(chǎn)生和LiH的積累對于鋰金屬負極的保護至關(guān)重要，這為實用型鋰金屬電池的發(fā)展提供了新的思路：（1）在正極側(cè)，電解液氧化產(chǎn)物R-H+穿梭到負極還原是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；（2）通過隔膜或聚合物電解質(zhì)的功能化處理阻止R-H+穿梭到負極；（3）在金屬鋰負極構(gòu)建儲氫或吸附氫能力強的界面保護材料，實際上，目前報道的能有效保護金屬鋰負極的界面組分，如LiF, Li3N, BN, Li2O和納米碳材料等，都是優(yōu)異的儲氫材料；（4）采用加熱加壓策略。另外，該研究工作也提示我們，應(yīng)該在各類電池體系中，加強電極界面上金屬氫化物的表征研究，而這將開創(chuàng)電池界面研究的新方向。
相關(guān)成果已于近日發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition，固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心許高潔、李杰東、王超三位老師為文章的共同第一作者，通訊作者為崔光磊研究員和董杉木研究員。
該工作得到了國家重點研發(fā)計劃，中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項目，國家杰出青年科學(xué)基金，中國科學(xué)院青年促進會基金，山東省重點研發(fā)計劃等項目的支持與資助。
Gaojie Xu, # Jiedong Li, # Chao Wang, # Xiaofan Du, Di Lu, Bin Xie, Xiao Wang, Chenglong Lu, Haisheng Liu, Shanmu Dong,* Guanglei Cui,* and Liquan Chen. The formation/decomposition equilibrium of LiH and its contribution on anode failure in practical lithium metal batteries. Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.202013812
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202013812
