移動(dòng)電子產(chǎn)品的待機(jī)時(shí)間和電動(dòng)汽車的續(xù)航里程取決于所用鋰離子電池的比能量。近年來，新型高比能金屬鋰二次電池得到廣泛關(guān)注，它采用鋰負(fù)極代替?zhèn)鹘y(tǒng)石墨負(fù)極，比能量遠(yuǎn)高于現(xiàn)有鋰離子電池體系，是當(dāng)前新能源領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。

“但是鋰負(fù)極存在鋰枝晶，就像光滑的金屬表面長(zhǎng)了一層毛刺。鋰枝晶不僅容易與電解液發(fā)生副反應(yīng)，消耗電解液和產(chǎn)生“死”鋰，造成電池容量衰減，而且容易刺穿隔膜導(dǎo)致短路，誘發(fā)電池安全問題?！闭憬I(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陶新永教授說到。多年來他和團(tuán)隊(duì)一直從事綠色儲(chǔ)能材料及鋰金屬電池材料研究。

在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：51722210、51972285、52071295）資助下，陶新永教授、張文魁教授等人借助冷凍透射電子顯微鏡技術(shù)定量化研究了金屬鋰負(fù)極固態(tài)電解質(zhì)界面膜的化學(xué)成分，揭示了“死”鋰的形成和演變機(jī)制，并提出了通過鹵素的氧化還原反應(yīng)來消除金屬鋰負(fù)極固態(tài)電解質(zhì)界面上的鋰枝晶、“死”鋰等，并實(shí)現(xiàn)“死”鋰回收利用的新策略。

圖1 死鋰的形貌、結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成

該工作通過冷凍透射電子顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)：失效的固態(tài)電解質(zhì)界面阻斷了金屬“死”鋰的導(dǎo)電通路，產(chǎn)生了金屬“死”鋰碎片；氧化鋰是常規(guī)醚類和酯類電解液體系下金屬鋰負(fù)極表面固態(tài)電解質(zhì)界面膜的重要組成部分（圖1）。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出了通過碘介體的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)“死”鋰激活和利用，設(shè)計(jì)了以生物質(zhì)碳負(fù)載碘的緩釋型膠囊，結(jié)合氧同位素示蹤分析、紫外可見光譜等測(cè)試技術(shù)以及理論計(jì)算證實(shí)了以下三個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)：

一是碘氧化還原反應(yīng)具有高度自發(fā)性和可逆性，以中間產(chǎn)物碘化鋰作為鋰元素的載體，碘酸鋰作為氧元素的載體，配合如磷酸亞鐵鋰正極等材料的高電位氧化作用，可以實(shí)現(xiàn)“死”鋰的激活和利用（圖2）；

二是緩釋型生物質(zhì)碳負(fù)載碘膠囊可以有效降低局部電流密度，實(shí)現(xiàn)鋰的均勻沉積，減少鋰枝晶；

三是碘介質(zhì)相較于電解液中的溶劑分子和鋰鹽具有更高電子親和性，會(huì)優(yōu)先與鋰反應(yīng)，從而抑制電解液的分解。

圖2 死鋰激活再利用的反應(yīng)機(jī)制

該研究提出的方法另辟蹊徑，首次提出了動(dòng)態(tài)修飾鋰金屬表面的概念，聚焦在“死”鋰的激活和再利用，將非活性氧化鋰和鋰金屬碎片中的鋰源巧妙地遷移到正極材料中，避免了金屬鋰電池的鋰損失，大大提升了金屬鋰電池的循環(huán)壽命。

▲陶新永教授在國際會(huì)議上作學(xué)術(shù)報(bào)告

不僅如此，陶新永還進(jìn)一步分析道：“這種對(duì)失活電極材料的激活策略可進(jìn)一步拓展到不同的負(fù)極材料體系，包括硅、錫及合金負(fù)極等，有望助力這些負(fù)極材料的規(guī)模化應(yīng)用。”

該成果今年以“利用碘介質(zhì)氧化還原激活鋰金屬負(fù)極中的死鋰（Rejuvenating dead lithium supply in lithium metal anodes by iodine redox）”為題發(fā)表在《Nature Energy》上。材料學(xué)院博士生金成斌和校聘教授劉鐵峰博士為共同第一作者，陶新永教授為通訊作者。這是浙江工業(yè)大學(xué)以第一單位首次在該期刊上發(fā)文。

▲陶新永教授（前排左四）團(tuán)隊(duì)參加中國化學(xué)會(huì)年會(huì)

《Nature Energy》是《自然》雜志子刊，主要發(fā)表能源領(lǐng)域有重大突破性進(jìn)展的高質(zhì)量研究成果。最新影響因子為60.858，年發(fā)文量?jī)H為100篇左右。