第一作者：Dianying Liu, Bingbin Wu

通訊作者：揭曉、劉俊

成果速覽

本研究深入探討了外部壓力對鋰金屬電池電鍍和剝離行為的影響，并提出了一種兩階段循環(huán)過程，實現(xiàn)了軟包電池膨脹控制在10%以下，與現(xiàn)有的鋰離子電池相當(dāng)。

通過混合設(shè)計，監(jiān)測和量化了自生成壓力，并將其與觀察到的充放電過程相關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)耐獠繅毫推胶獾碾姵卦O(shè)計，可以有效抑制鋰金屬軟包電池在循環(huán)過程中的體積膨脹。

圖文導(dǎo)讀

圖1：展示了在不同初始外部壓力下測試的350 Wh kg^?1 Li/NMC622軟包電池的原位壓力監(jiān)測結(jié)果。圖中顯示了前五個循環(huán)中自生成壓力的變化，以及每個循環(huán)結(jié)束時的壓力比較，突出了不同初始壓力下軟包電池之間的差異。

圖2：描述了Li/NMC622軟包電池中鋰?yán)玫牟煌A段。在初始階段，陽極側(cè)的鋰離子從NMC陰極沉積。隨著循環(huán)的進(jìn)行，NMC陰極的鋰離子逐漸不可逆地?fù)p失，而鋰金屬箔開始參與電化學(xué)反應(yīng)。

圖3：展示了在不同初始壓力下經(jīng)過大量循環(huán)后的鋰金屬軟包電池的前后對比。即使在最低壓力110 kPa下，經(jīng)過304個循環(huán)后，電池膨脹僅為8.2%。

圖4：通過壓力映射系統(tǒng)監(jiān)測了350 Wh kg^?1軟包電池表面的壓力分布。圖中顯示了在不同充電次數(shù)結(jié)束時的壓力變化，以及放電結(jié)束時的壓力分布，揭示了電池表面反應(yīng)活性的變化。

圖5：通過實驗和理論計算，研究了電鍍過程中鋰離子繞路行為。圖中展示了鋰離子在陽極表面的非均勻分布，以及這種分布如何影響鋰離子的運(yùn)動軌跡和電池性能。

亮點介紹

1. 提出了一種新的兩階段循環(huán)過程，有效控制了高能量鋰金屬軟包電池的膨脹，使其與現(xiàn)有鋰離子電池相當(dāng)。

2. 通過混合設(shè)計，實現(xiàn)了對鋰金屬電池自生成壓力的監(jiān)測和量化，為理解電池性能提供了新的視角。

3. 研究揭示了外部壓力對鋰金屬電池電鍍和剝離行為的復(fù)雜影響，為鋰金屬電池的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要指導(dǎo)。

4. 通過壓力映射技術(shù)，首次在大面積電池上揭示了鋰離子在電鍍過程中的“繞路”行為，為解決不均勻鋰鍍層提供了新思路。

高端表征

在本論文中，作者們采用了一系列的高端表征技術(shù)來深入理解鋰金屬電池的性能和機(jī)制。

透射電鏡: 作者們使用了300 kV FEI Titan monochromated掃描透射電子顯微鏡(S)TEM，配備了探針像差校正器，對循環(huán)后的鋰金屬陽極進(jìn)行了詳細(xì)的表征。通過這種高端的表征技術(shù)，可以獲得鋰金屬陽極的微觀結(jié)構(gòu)和形貌信息，這對于理解電池在循環(huán)過程中的體積變化和性能衰減至關(guān)重要。

原位測試 : 論文中使用了原位壓力測試，這是一種在電池工作過程中實時監(jiān)測電池內(nèi)部壓力變化的技術(shù)。通過使用Loadstar Sensors型號DI-1000UHS的壓力測量系統(tǒng)，作者們能夠在充放電循環(huán)過程中實時記錄電池的壓力數(shù)據(jù)，從而更好地理解電池膨脹和收縮的動態(tài)過程。這種測試對于評估電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和預(yù)測其壽命具有重要意義。

計算模擬

在本論文中，作者們采用了基于第一性原理的計算方法，密度泛函理論DFT計算，來深入理解鋰金屬電池中鋰離子的行為和電化學(xué)過程。

研究中進(jìn)行了DFT計算，以分析不同壓力條件下鋰金屬陽極表面的電勢和電場分布。通過這些計算，作者們能夠預(yù)測和解釋鋰離子在陽極表面的非均勻分布現(xiàn)象，即所謂的“鋰離子繞路”行為。DFT計算結(jié)果揭示了外部壓力如何影響鋰離子在陽極表面的沉積過程，從而為優(yōu)化電池設(shè)計和提高電池性能提供了理論依據(jù)。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Controlled large-area lithium deposition to reduce swelling of high-energy lithium metal pouch cells in liquid electrolytes

期刊：Nature Energy