基于电场弛豫调控锂枝晶，助力安全长寿命锂离子电池研发

为解决锂枝晶对锂电池安全和寿命的挑战，研究人员开展了基于电场弛豫调控锂枝晶的研究。结果发现短时间弛豫能减少缺陷固体电解质界面（SEI）和孤立锂，提升商业电池容量保持率。该研究对安全、长寿命和快充电池意义重大。

在追求碳中和的道路上，锂离子电池凭借其高能量密度和耐用性，成为储能领域的重要支柱。然而，锂枝晶的生长却如同隐藏在电池中的 “定时炸弹”，严重阻碍了锂离子电池的广泛应用。锂枝晶具有较大的表面积和高反应活性，它与周围电解质会发生快速的副反应，不仅产生大量热量，还会造成活性锂的不可逆损失，极大地威胁电池的安全和长期稳定运行。更糟糕的是，部分锂枝晶在电池循环过程中会与负极失去电接触，变成 “死锂”，加速电池性能的衰退。因此，如何有效调控锂枝晶的生长，成为了科研人员亟待攻克的难题。
为了解决这一关键问题，清华大学的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为锂离子电池的发展带来了新的曙光。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是原位拉曼光谱 - 光学显微镜 - 电化学阻抗谱（EIS）技术，用于实时监测锂枝晶在弛豫过程中的结构和化学变化；二是异位 X 射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）技术，对 SEI 的成分和结构进行半定量分析；三是相场建模，从理论层面揭示锂枝晶形态演变的机制。

1. 锂电镀后处理过程的比较

研究人员设计了一系列对比实验，以探究不同条件对 Gr 负极锂电镀后电池容量恢复的影响。实验结果令人惊喜，他们发现锂电镀后短时间弛豫（a = 1, b = 9 和 a = 2, b = 8）的电池组，无论是在单电镀循环还是两个循环中，容量恢复率都显著高于其他组。这一结果打破了传统认知，表明短时间弛豫策略具有巨大的应用潜力。

2. 锂电镀后弛豫期的原位观察

利用原位拉曼光谱 - 光学显微镜 - EIS 技术，研究人员对锂电镀后 Gr 负极的变化进行了实时监测。化学分析表明，短时间弛豫后 SEI 主要由无机成分组成，这种无机 SEI 结构致密，性能优异；而长时间弛豫后，SEI 则以有机成分居多，结构疏松，稳定性较差。物理观察发现，短时间弛豫后锂枝晶覆盖面积减小，形态得到优化，这一现象暗示着锂枝晶的结构变得更加规整。

3. 异位半定量分析

通过异位 XPS、TEM 和 SEM - EDS 等技术，研究人员对 SEI 的成分和结构进行了更精确的分析。结果显示，从化学演化角度来看，短时间弛豫形成的 SEI 富含无机成分，而长时间弛豫则导致脆弱的有机 SEI 形成，消耗大量活性锂。从形态演化角度，随着弛豫时间增加，锂枝晶变得更厚、更平滑，这一变化与原位观察结果相吻合。

4. 基于电场弛豫的锂电镀调控

综合上述研究，研究人员确定了短时间弛豫后容量恢复的两个关键因素：一是形成了薄而坚固、富含无机成分的 SEI；二是锂枝晶的平滑化减少了 “死锂” 的形成。基于此，他们提出了基于电场弛豫的锂电镀调控策略，并在商业 Gr||LiFePO₄电池上进行验证。实验结果表明，该策略能将电池在 3C 快充条件下 100 次循环的容量保持率从 80% 提升至 95%，同时显著减少容量损失和调控时间。
研究结论表明，合理利用锂枝晶形成后的电场弛豫，是实现安全、长寿命和快充锂离子电池的有效策略。该研究首次揭示了短时间弛豫对抑制有害 SEI 和 “死锂” 形成的重要作用，为锂离子电池的安全长寿命操控提供了全新的理论依据和实践指导，对推动快充和低温充电技术的发展具有重要意义。这一成果也为其他类似电池体系，如钠离子电池和锌离子电池的研究提供了宝贵的借鉴，有望开启电池领域可持续发展的新篇章。