91儀器信息在續(xù)航里程焦慮的不斷刺激下，液態(tài)鋰金屬電池因其高能量密度而成為關注熱點，但鋰金屬負極的嚴重失效制約了鋰金屬電池的商業(yè)化發(fā)展。目前，學界對鋰金屬負極失效和保護的機理認知尚存爭議。傳統(tǒng)觀點認為，鋰枝晶的生長是金屬鋰負極失效的主要原因。然而，實際上，盡管文獻中報道了無枝晶生長的金屬鋰負極，但采用高面容量正極(≥ 2 mAh cm-2)和超薄鋰負極(如50 μm)的實用型鋰金屬電池通常會在100個充放循環(huán)以內發(fā)生容量跳水失效問題，這遠不如相同容量下鋰離子電池的循環(huán)性能。當拆開容量跳水失效的實用型鋰金屬軟包電池時，通常會觀察到金屬鋰負極嚴重粉化。但目前，學界仍不清楚金屬鋰負極粉化的起源及其組分。
 　　近年來，中國科學院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心研究員崔光磊、董杉木，在鋰金屬電池和鋰金屬負極保護等領域取得了系列研究成果(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；Small 2019, 15, 1900269；Chem. Mater. 2020, 32, 8, 3405-3413)。在推進這些工作的過程中，研究人員通過在線差分電化學質譜發(fā)現(xiàn)，在充放電過程中，鋰金屬電池中會產生大量H2，鋰金屬負極會不會與H2反應形成LiH？LiH會不會是鋰金屬負極的膨脹粉化失效的罪魁禍首？研究人員把在線差分電化學質譜系統(tǒng)進行升級，實現(xiàn)在線滴定氣體分析功能。通過氘水(D2O)滴定金屬鋰負極(判據(jù)：2Li + 2D2O → 2LiOD + D2↑；LiH + D2O → LiOD + HD↑)，該研究發(fā)現(xiàn)，失效粉化的金屬鋰負極中存在大量導電性差的氫化鋰(LiH)；實用型鋰金屬電池(2.805 mAh cm-2 LiCoO2, 50 μm Li)的循環(huán)性能與鋰金屬負極中LiH的積累呈負相關性。該研究揭示LiH的生成和分解由一個溫度敏感的化學平衡(Li + 1/2H2 LiH)決定：在室溫條件下，界面副反應產生的H2與鋰金屬反應生成LiH；通過加熱，LiH會部分分解產生導電性優(yōu)異且具有電化學活性的鋰金屬，從而恢復提升容量。研究表明，有效抑制H2的產生和LiH的積累對鋰金屬負極的保護具有重要意義，這為實用型鋰金屬電池的發(fā)展提供了新思路：在正極側，電解液氧化產物R-H+穿梭到負極還原是H2產生的主要原因，通過鈍化正極和配制含氫少的電解液兩種策略抑制R-H+的產生；通過隔膜或聚合物電解質的功能化處理阻止R-H+穿梭到負極；在金屬鋰負極構建儲氫或吸附氫能力強的界面保護材料，實際上，目前報道的能夠有效保護金屬鋰負極的界面組分(如LiF、 Li3N、BN、Li2O和納米碳材料等)均是優(yōu)異的儲氫材料；采用加熱加壓策略。此外，研究人員提示，應該在各類電池體系中，加強電極界面上金屬氫化物的表征研究，這將開創(chuàng)電池界面研究的新方向。
 　　近日，相關研究成果發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上，青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心教師許高潔、李杰東、王超為論文的共同第一作者，崔光磊、董杉木為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家杰出青年科學基金，中科院青年創(chuàng)新促進會、山東省重點研發(fā)計劃等的支持。