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(diǎn)。然而，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，對鋰金屬負(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)極失效的重要原因。但實(shí)際上，盡管大量文獻(xiàn)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（≥2mAhcm-2）和超薄鋰負(fù)極（例如50μm）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)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，金屬鋰負(fù)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(fù)極保護(hù)等科學(xué)領(lǐng)域持續(xù)攻堅(jiān)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;Small2019,15,1900269;Chem.Mater.2020,32,8,3405-3413）。正是在這些工作推進(jìn)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(huì)出現(xiàn)大量的H2，那么鋰金屬負(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)啄?？秉承著“敢為天下先”和“精誠合作”的團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)將在線差分電化學(xué)質(zhì)譜系統(tǒng)進(jìn)行巧妙地升級，實(shí)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(fù)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(fù)極中存在大量導(dǎo)電性差的氫化鋰（LiH），且實(shí)用型鋰金屬電池（2.805mAhcm-2LiCoO2,50μmLi）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。更重要的是，揭示了LiH的生成和分解是由一個(gè)溫度敏感的化學(xué)平衡（Li+1/2H2LiH）決定的：室溫條件下，界面副反應(yīng)出現(xiàn)的H2與鋰金屬反應(yīng)生成LiH；而通過加熱，LiH會(huì)部分分解出現(xiàn)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的出現(xiàn)和LiH的積累有關(guān)鋰金屬負(fù)極的保護(hù)至關(guān)重要，這為實(shí)用型鋰金屬電池的發(fā)展供應(yīng)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(fù)極還原是H2出現(xiàn)的重要原因，通過鈍化正極和配制含氫少的電解液兩種策略抑制R-H+的出現(xiàn)；（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(fù)極；（3）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，都是優(yōu)異的儲(chǔ)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(qiáng)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AngewandteChemieInternationalEdition，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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，我國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目，國家杰出青年科學(xué)基金，我國科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì)基金，山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持與資助。(文/圖：許高潔、董杉木、崔光磊)圖片（來源：青島能源所）