【研究背景】
鋰金屬由于其極高的理論比容量（3860mAh/g）、較低的質(zhì)量密度（0.59 g/cm3）、極低的還原電位（-3.04 V vs SHE）等特性，受到國內(nèi)外研究學(xué)者的高度觀注。理論計算表明，以鋰金屬為負(fù)極組成的鋰金屬電池，其電池單體能量密度可突破現(xiàn)有鋰離子電池技術(shù)的能量密度瓶頸-250 Wh/kg。然而在實際應(yīng)用中，鋰金屬電池工作過程中不可控的枝晶狀鋰的生長嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的實際應(yīng)用。針對上述問題，國內(nèi)外科研學(xué)者對不可控電化學(xué)鋰沉積過程中枝晶狀鋰生長機制展開了廣泛的研究并提出了各種各樣的策略嘗試抑制枝晶狀鋰生長。然而，到目前為止，與鋰離子電池循環(huán)壽命相媲美的鋰金屬電池技術(shù)鮮有報道。這使得我們需要對現(xiàn)行的研究方向做出審視。
【研究內(nèi)容】
為了研究鋰金屬電極在電池工作條件下真實的工作機理，孫富研究員采用無損、原位、可視化的高分辨同步輻射X射線三維斷層掃描技術(shù)，對鋰-硫電池1、鋰-氧電池2、鋰-鋰對電池3-5、使用人工保護的鋰組成的鋰-鋰對電池6以及固態(tài)鋰-硫電池7等進行了深入的研究，結(jié)合這些研究發(fā)現(xiàn)以及最新的研究成果（圖1），作者認(rèn)為，僅僅依靠抑制枝晶狀鋰結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生并不足以推動鋰金屬電極從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用，更多的研究努力應(yīng)放在電化學(xué)鋰沉積、電化學(xué)鋰溶解過程中產(chǎn)生的各種鋰微結(jié)構(gòu)的電化學(xué)性質(zhì)及其產(chǎn)生機理上面來。
圖1 鋰硫電池的表征結(jié)果。A，被研究的鋰硫電池電化學(xué)圖。B，被研究的鋰硫電池截面圖。C & D，被研究的鋰硫電池橫切面圖。根據(jù)先前的關(guān)于鋰金屬電極形貌衍化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)1-7，由圖B可知，在隔膜上面且靠近隔膜一側(cè)的顆粒狀及煎餅狀形貌的鋰是在該鋰硫電池最初的循環(huán)過程中（第一圈或前兩圈）產(chǎn)生的，在隔膜上面且靠近原始鋰塊的柱狀形貌的鋰是在該鋰硫電池最后的循環(huán)過程中（第三圈）產(chǎn)生的。同時，根據(jù)先前的研究發(fā)現(xiàn)，可以推測產(chǎn)生的顆粒狀、煎餅狀及柱狀鋰都是電化學(xué)不活躍的，即俗稱的“死鋰”。C & D顯示了產(chǎn)生的鋰微結(jié)構(gòu)。
【研究意義】
依據(jù)該研究結(jié)果，可以得出以下幾條關(guān)于鋰金屬電極研究內(nèi)容及未來研究方向的重要啟示：
第一，電化學(xué)過程中產(chǎn)生的鋰沉積形貌不再起主要作用。結(jié)合先前的研究成果及圖1，可以得出無論是枝晶狀鋰，顆粒狀鋰，煎餅狀鋰，柱狀鋰以及其它不是原始鋰塊（originalLi bulk）狀態(tài)的鋰微結(jié)構(gòu)（沉積鋰統(tǒng)稱），很大程度上都是我們所說的“死鋰”-即電化學(xué)不活躍的鋰。從此點來看，現(xiàn)行的提出的各種各樣的成功了抑制了枝晶狀鋰的產(chǎn)生、但同時又有其它形狀的微型結(jié)構(gòu)的鋰產(chǎn)生的方法，顯得功效甚微。
第二，根據(jù)先前研究成果及最新研究發(fā)現(xiàn)，非原始狀態(tài)的沉積鋰由于很大程度上是電化學(xué)不活躍的，所以，可以得出，現(xiàn)行基本上所有的鋰金屬電池（比如，鋰-過渡金屬氧化物電池、鋰-硫電池，鋰-氧電池等）的性能衰退都與產(chǎn)生的鋰微結(jié)構(gòu)有關(guān)。至此，未來的研究內(nèi)容及方向應(yīng)更多的放在這些鋰微結(jié)構(gòu)的化學(xué)、電化學(xué)本質(zhì)及它們產(chǎn)生的機理上面。
第三，根據(jù)以上結(jié)論的發(fā)現(xiàn)規(guī)律來看，我們可以看出，僅僅依靠電化學(xué)測試來驗證鋰金屬電極的循環(huán)性能具有一定的局限性，作者呼吁產(chǎn)生多范圍、多手段、多角度的研究方法對鋰金屬電極進行全面、有效、可靠的研究，以期加深我們對鋰金屬工作原理的理解及早日實現(xiàn)鋰金屬電極的實際應(yīng)用以解決人們對電能的存儲與應(yīng)用的難題。
作者簡介：
孫富，博士，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所（中科院青能所）項目研究員，2017年2月獲得柏林工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位，2017年2月至2018年9月在亥姆霍茲柏林能源與材料中心做博士后研究，導(dǎo)師Ingo Manke博士。2019年以所百人的身份加入青能所。目前研究內(nèi)容為鋰離子電池及下一代鋰電池的研發(fā)與應(yīng)用，研究手段采用同步輻射和中子源等裝置，重點深入研究與剖析現(xiàn)行商用鋰離子電池性能衰退機理以及下一代鋰金屬電池的工作機制。共發(fā)表學(xué)術(shù)論文29篇，其中第一作者文章16 篇（影響因子大于10 的有8 篇，全部一作，最高IF為24），包括Materials Today（2篇），ACS Energy Letters（4 篇），ACS Nano，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials &Interfaces，ChemSusChem，Journalof Power Sources，Nanoscale 等。在美國電化學(xué)學(xué)會ECS學(xué)術(shù)會議上做口頭報告2次。
課題組長期招聘碩士（含聯(lián)培）、博士（含聯(lián)培）、博士后、項目聘用（科研）各數(shù)名。研究過程中可使用柏林BESSY II、漢堡DESY、牛津DIAMOND等同步輻射光源，最近，該課題組取得了臺灣新竹光源NSRRC、日本Spring-8及上海SSRF等同步輻射的使用機時。該課題組真誠希望與感興趣的老師及同學(xué)一起合作，一起研究，共同學(xué)習(xí)！
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參考文獻：
1, Fu Sun, Markus Osenberg, Kang Dong, Dong Zhou, André Hilger, Charl J. Jafta, Sebastian Risse, Yan Lu, Henning Mark?tter, and Ingo Manke. Correlating morphological evolution of Li electrodes with degrading electrochemical performance of Li/LiCoO2 and Li/S battery systems: investigated by synchrotron X-ray phase contrast tomography, ACS Energy Letters, 2018, 3, 356.
2, Fu Sun, Rui Gao, Dong Zhou, Markus Osenberg, Kang Dong, Nikolay Kardjilov, André Hilger, Henning Mark?tter, Xiangfeng Liu and Ingo Manke. Revealing Hidden Facts of Li Anode in Cycled Lithium Oxygen Batteries through X-ray and Neutron Tomography. ACS Energy Letters, 2019, 4, 306
3, Fu Sun, Lukas Zielke, Henning Mark?tter, André Hilger, Dong Zhou, Riko Moroni, Roland Zengerle, Simon Thiele, John Banhart, and Ingo Manke. Morphological evolution of electrochemically plated/stripped lithium microstructures investigated by synchrotron X-ray phasecontrast tomography, ACS Nano, 2016, 10, 7990
4, Fu Sun, Riko Moroni, Kang Dong, Henning Mark?tter, Dong Zhou, André Hilger, Lukas Zielke, Roland Zengerle, Simon Thiele, John Banhart, and Ingo Manke. Study of the Mechanisms of Internal Short Circuit in a Li/Li Cell by Synchrotron X-ray Phase Contrast Tomography. ACS Energy Letters, 2017, 2, 94
5, Fu Sun, Xin He, Xiaoyu Jiang, Markus Osenberg, Dong Zhou, Kang Dong, André Hilger, Xiaoming Zhu, Rui Gao, Xiangfeng Liu, Kai Huang, De Ning, Henning Mark?tter, Li Zhang, Jie Li, Yuliang Cao, Martin Winter, and Ingo Manke. Advancing the Knowledge of Electrochemically Generated Lithium Microstructures and Their Induced Performance Decay of Lithium Ion Batteries by Synchrotron X-ray Tomography. Materials Today, 2019, 27, 21
6, Fu Sun, Dong Zhou, Xin He, Markus Osenberg, Kang Dong, Libao Chen, Shilin Mei, Andre? Hilger, Henning Markotter, Yan Lu, Shanmu Dong, Shashidhara Marathe, Christoph Rau, Xu Hou, Jie Li, Marian Cristian Stan, Martin Winter, Robert Dominko and Ingo Manke, Morphological Reversibility of Modified Li-Based Anodes for Next-Generation Batteries, ACS Energy Lett. 2020, 5, 152
7, Fu Sun, Kang Dong, André Hilger, Sebastian Risse, Yan Lu, Henning Mark?tter, and Ingo Manke. Visualizing Morphological and Compositional Evolution of Interface of InLi-anode|thio-LISION Electrolyte in All-Solid- State Li-S Cell by in operando Synchrotron X-ray Tomography and Energy Dispersive Diffraction, Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 22489
