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通訊作者：崔屹1998年崔屹獲得中國科學技術大學理學學士學位；2002年在哈佛大學獲得博士學位；2003年在加州大學伯克利分校從事博士后研究；2004年入選世界頂尖100名青年發明家；2005年進入斯坦福大學材料科學與工程系任教，先后擔任助理教授、副教授、教授；2014年獲得首屆納米能源獎；2017年獲得布拉瓦尼克青年科學大獎之物質科學與工程技術獎。
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現有的鋰離子電池的工作溫度都在室溫（0-45 ℃）。人們認為隨著溫度的升高，副反應增加，循環性能下降。然而，作者發現高溫下運行的鋰金屬電池其性能反而增強。60 ℃，以醚為電解液下Cu/Li電池在300個穩定循環后平均庫侖效率依然達到99.3％，但是在20 ℃下，庫侖效率在75個循環內急劇下降。冷凍電子顯微鏡揭示了在60° C時出現的完全不同的固體電解質界面納米結構，其保持了機械穩定性，抑制連續的副反應并保證良好的循環穩定性和低電化學阻抗。
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當溫度降至0 ℃以下時，由于電解質粘度增加，極化強度大和界面動力學緩慢，可逆電池容量降低。此外，在高溫下由于電極材料的副反應增加，循環穩定性下降。因此，人們認為LIB中的最佳性能通常在15至35° C之間。
以Cu/Li電池為例來探究溫度對電池性能的影響。從實驗中發現，在較高溫度下循環的Cu/Li電池的容量保有率比低溫下循環的好。此外，與20 ℃下循環的電池相比，在60 ℃下循環的Cu/Li電池表現出長期循環穩定性（圖2b）;在60 ℃下的300次循環后容量保有率高達99-99.8％，而在20 ℃下的容量保有率在75次循環后下降至79.7％。
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從冷凍電鏡結果發現，鋰金屬在電解質體系中以球形顆粒生長。在60 ℃下沉積的Li金屬顆粒的尺寸大于在20 ℃下沉積的尺寸（圖3a，e），這可歸因于較小的過電位和較高溫度下的較快的電荷轉移。類似地，在60 ℃下形成了比在20 ℃下更厚的SEI層（35 nm對20 nm）（圖3b，f）。此外，一種獨特的SEI納米結構在高溫下出現。在20 ℃形成的SEI由無定形聚合物中間相組成（圖3c，d），在60 ℃形成的SEI具有層狀納米結構（圖3g，h）。
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通過電化學阻抗譜（EIS）也證實了在高溫下電池較好的電化學性能（圖5）。實驗發現電阻隨著溫度的升高而降低，在-20 ℃，0 ℃，20 ℃和60 ℃下運行的電池第一次循環后內阻分別為224,134,32和7 Ω。作者將較高溫度下的較低電阻歸因于電解質粘度降低，這使得電極/電解質接觸更好，極化更弱，離子轉移勢壘更低。
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從電化學循環性能上發現，60 ℃時鋰化和去鋰化電壓平臺之間的差異相對于20 ℃降低，在60 ℃下操作的半電池的容量遠高于在20℃下的容量。
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總之，作者發現高溫可以產生有利的SEI納米結構，擴大Li粒度并提供更快的動力學，從而提高容量保有率（CE）和循環穩定性。冷凍電鏡表征揭示了在60 ℃下形成的有機/無機復合層狀SEI，不同于在20 ℃下形成的無定形聚合物SEI。阻抗譜分析表明，阻抗隨溫度升高而降低，并在60 ℃循環期間保持穩定，這進一步說明了在高溫下實現的高性能。
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Improving cyclability of Li metal batteries at elevated temperatures and its origin revealed by cryo-electron microscopy (Nature Energy, 2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0413-3)
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0413-3
原創文章，作者：菜菜歐尼醬，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.zzhhcy.com/index.php/2023/11/13/6e0e8c6e00/