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（圖片來(lái)SLAC）

       哪怕手機(jī)關(guān)機(jī)了，電池最后也會(huì)沒(méi)電的。在遠(yuǎn)距離電動(dòng)汽車使用的鋰金屬池中，也存在同樣的問(wèn)題。據(jù)外媒報(bào)道，斯坦福大學(xué)(Stanford University)和美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC National Accelerator Laboratory)的科學(xué)家們，首次從原子層面觀察這種被稱為“存儲(chǔ)老化”（calendar aging）的過(guò)程如何攻擊鋰金屬負(fù)極。研究人員發(fā)現(xiàn)，在電池老化過(guò)程中，在兩個(gè)電極之間攜帶電荷的電解液具有很大的影響力。

       研究顯示，經(jīng)過(guò)短短24小時(shí)，存儲(chǔ)老化就可以消耗鋰金屬電池2-3%的電量。而在鋰離子電池中，這需要三年的時(shí)間。盡管這種電荷損失的現(xiàn)象會(huì)逐漸減緩，但累加起來(lái)可能使電池壽命縮短25%。SLAC和斯坦福大學(xué)教授 Yi Cui表示：“我們的研究表明，電解液對(duì)存儲(chǔ)電池的穩(wěn)定性影響很大。”

       與鋰離子電池一樣，鋰金屬電池通過(guò)鋰離子在電極之間來(lái)回運(yùn)送電荷。然而，鋰離子電池的負(fù)極用石墨制成，而鋰金屬電池的負(fù)極是由鋰金屬制成。相比之下，鋰金屬電池要輕得多，而且在既定體積和重量下，有可能儲(chǔ)存更多的能量。對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，這具有重要意義，有助于降低成本，并增加續(xù)航里程。

下一代鋰金屬電池經(jīng)歷快速的存儲(chǔ)老化，即使不使用電池，也會(huì)耗盡電量，并降低其儲(chǔ)存能量的能力。

       美國(guó)能源部的電池500聯(lián)盟（包括SLAC和斯坦福在內(nèi)）的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)可用于電動(dòng)汽車的鋰金屬電池，使其重量能量密度大約達(dá)到現(xiàn)有電池的三倍。他們?cè)谔岣唠姵啬芰棵芏群蛪勖�方面取得了很大進(jìn)展，但仍有很多問(wèn)題有待解決，如負(fù)極上的枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題，可能導(dǎo)致電池短路并著火。

       過(guò)去幾年，研究人員一直在尋找解決這些問(wèn)題的方案，包括防止鋰金屬負(fù)極生長(zhǎng)枝晶的新涂層，以及一種能防止枝晶生長(zhǎng)的新電解液。研究人員David Boyle表示，這方面的研究大多集中在如何減少反復(fù)充放電造成的損害上，因?yàn)榉磸?fù)充放電會(huì)使電極產(chǎn)生應(yīng)變和裂紋，影響電池的工作壽命。在本項(xiàng)研究中，研究小組希望，通過(guò)測(cè)試各種具有不同化學(xué)成分的電解液，了解鋰金屬負(fù)極老化的概況。

       首先，Boyle測(cè)量了含不同電解液的鋰金屬電池的充電效率。然后，研究人員小心翼翼地拆卸已充滿電的電池，靜置一天后取出負(fù)極，使其在液氮中速凍，以保留其在存儲(chǔ)老化過(guò)程中特定時(shí)間點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。接下來(lái)，使用低溫電子顯微鏡(Cryo-EM)檢測(cè)負(fù)極，以觀察各種電解質(zhì)在接近原子的尺度上對(duì)負(fù)極的影響。這是Cui的團(tuán)隊(duì)在幾年前首創(chuàng)的一種方法，用于研究電池組件的內(nèi)部活動(dòng)狀態(tài)。

每次鋰金屬電池充電時(shí)，負(fù)極上都會(huì)沉積一層新的鋰金屬。電解液會(huì)腐蝕這種新金屬面（左），在負(fù)極表面形成SEI層。                   
研究顯示，即使不使用電池，腐蝕仍在繼續(xù)（右），經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)老化，SEI層變得不規(guī)則和結(jié)塊。

       在目前的鋰離子電池中，因?yàn)殡娊庖焊�蝕，負(fù)極表面會(huì)形成固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，這會(huì)消耗少量的電池容量，但能保護(hù)負(fù)極不受進(jìn)一步的腐蝕。總的來(lái)說(shuō)，平滑、穩(wěn)定的SEI層有利于電池正常工作。但鋰金屬電池充電時(shí)，負(fù)極表面都會(huì)沉積一層薄薄的鋰金屬，為存儲(chǔ)老化過(guò)程中的腐蝕提供新的表面。在測(cè)試過(guò)程中，每種電解液都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一種獨(dú)特的SEI生長(zhǎng)模式，有些會(huì)形成塊狀或薄膜，或者兩者兼而有之。這些不規(guī)則的生長(zhǎng)模式與腐蝕速度加快和充電效率損耗相關(guān)聯(lián)。

       與預(yù)期相反，與表現(xiàn)不佳的電解液一樣，原本支持高效充電的電解液也會(huì)因存儲(chǔ)老化而出現(xiàn)效率下降。因此，要最大限度地減輕存儲(chǔ)老化現(xiàn)象，其挑戰(zhàn)在于將電解液的腐蝕性和負(fù)極表面鋰金屬的腐蝕程度降至最低。研究人員表示：“真正重要的是，我們擁有了一種新的電解質(zhì)研究方式。這為獲得下一代電池技術(shù)所需的參數(shù)，提出了一種新的電解質(zhì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。”