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由于固體電解質(zhì)界面（SEI）和孤立Li（i-Li）的不斷生成，當(dāng)前的鋰電池負(fù)極表現(xiàn)出快速衰減的容量和短循環(huán)壽命。這是因為大多數(shù)測試條件下鋰枝晶不均勻溶解過程中形成的i-Li（死鋰）失去了與集流體的電接觸，在電池中不具有電化學(xué)活性，從而引發(fā)了鋰電池容量的下降。

圖1. i-Li在電場下的動態(tài)極化

與上述普遍接受的假設(shè)相反，美國斯坦福大學(xué)崔屹教授等人證明由于電解液中存在電場，i-Li在電場作用下產(chǎn)生動態(tài)極化，因此i-Li對電池運(yùn)行具有高度響應(yīng)性。在充電過程中，Li⁺從正極移動到負(fù)極，靠近正極的i-Li末端過電位變?yōu)樨?fù)（η<0），導(dǎo)致鋰沉積在i-Li上。

同時，另一端的過電位變?yōu)檎é?gt;0），導(dǎo)致鋰溶解。i-Li的電荷中性是通過電子從一端傳輸?shù)搅硪欢藖砭S持的，最終結(jié)果是i-Li向正極的空間發(fā)展。放電時電場方向相反（Li⁺從負(fù)極向正極移動），i-Li向負(fù)極演化。仿真結(jié)果表明，i-Li的發(fā)展速率主要受其長度、方向和外加電流密度的影響。

圖2. 紐扣電池中i-Li過電位的量化

此外，作者成功地證明了在Cu-Li電池中以>100%的庫侖效率回收i-Li，并實現(xiàn)了具有更長循環(huán)壽命的NMC-Li全電池。具體而言，作為概念證明，作者評估了具有150%過量鋰的NMC-Li全電池在激活和未激活的情況下的電化學(xué)性能。作者在充電后以 1C ( 2.67 mAh cm^-2) 的倍率添加了2分鐘的快速放電步驟（Li 剝離），電池提供5.3 mAh g^-1的比容量，占其總?cè)萘?(143.1 mAh g^-1) 的 3.7%。當(dāng)未激活的電池開始表現(xiàn)出容量和CE的快速下降時，該激活步驟的優(yōu)勢在30次循環(huán)后變得更加明顯。

這種降解行為表明過量的鋰被排出并不斷積累“死鋰”。平均而言，激活的電池壽命延長了29%，這可歸因于“死鋰”的部分恢復(fù)。這項研究對i-Li行為的機(jī)理洞察將啟發(fā)和指導(dǎo)穩(wěn)健鋰金屬電池的未來發(fā)展，并實現(xiàn)鋰離子電池的極快充電。

圖3. 放電過程紐扣電池中i-Li發(fā)展和恢復(fù)的概念驗證

Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations, Nature 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04168-w

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