重造鋰金屬陽極

智慧手機、電動汽車等各種電子裝置中都能找到傳統鋰離子電池，雖然鋰離子電池使很多技術得到了廣泛應用，但其在為電動汽車長距離行駛提供動力方面仍面臨著挑戰。

為了打造更適合電動汽車的電池，美國DOE太平洋西北國家實驗室（PNNL）牽頭的多個美國國家實驗室以及獲DOE資助的大學研究人員一起成立了一個名為Battery500的聯盟，目標是打造能量密度為500Wh/kg的電池電芯，即能量密度是當今最先進電池的兩倍。為此，該聯盟正重點關注由鋰金屬陽極製成的電池。

與大多采用石墨為陽極的鋰離子電池相比，鋰金屬電池採用鋰金屬為陽極。研究人員表示：“鋰金屬陽極是滿足Battery500能量密度目標的關鍵因素之一，優點在於其能量密度是現有電池的兩倍。其一，此種陽極的比容量很高；其二，可實現電壓更高的電池，二者結合就可以實現更高的能量密度。”

科學家們很早就認識到了鋰金屬陽極的優點；事實上，鋰金屬陽極是首個與電池陰極耦合的陽極。但是由於此種陽極缺乏“可逆性”，即透過可逆電化學反應充電的能力，電池研究人員最終用石墨陽極取代了鋰金屬陽極，打造了鋰離子電池。

現在，經過幾十年的進步，研究人員有信心實現可逆的鋰金屬陽極，以超越鋰離子電池的極限。關鍵在於介面，即電化學反應過程中電池電極上形成的固體材料層。

研究人員表示：“如果我們能夠完全瞭解該種介面，就能夠為材料設計和打造可逆的鋰金屬陽極提供重要指導。但是，瞭解該種介面是一項相當大的挑戰，因為其是一種非常薄的材料層，只有幾奈米厚，而且對空氣和溼度也很敏感，因此處理此種樣品非常棘手。”

在NSLS-II將此種介面實現視覺化

為了應對上述挑戰，“看到”該介面的化學構成和結構，研究人員採用了布魯克海文國家實驗室DOE科學辦公室的使用者裝置——國家同步加速器光源II （NSLS-II），以產生超亮的X射線從原子尺度來研究該介面的材料特性。

除了利用NSLS-II的先進能力之外，該研究小組還需要利用一個能夠探測該介面所有成分的波束線（實驗站），用高能（短波長）X射線探測晶體相以及非晶相。該波束線即是X射線粉末衍射（XPD）的波束線。

研究人員表示：“化學團隊採用了XPD的多模態方法，利用了波束線提供的兩種不同技術，X射線衍射（XRD）和對分佈函式（PDF）分析。XRD能夠研究晶體相，而PDF能夠研究非晶相。”

XRD和PDF分析揭示了令人欣喜的結果：介面記憶體在鋰氫化物（LiH）。幾十年來，科學家們一直在爭論是否介面記憶體在LiH，從而給形成介面的基本反應機制造成了不確定性。

研究人員表示：“LiH和氟化鋰（LiF）有著非常相似的晶體結構，我們提出發現LiH的說法受到了一些人的質疑，他們認為我們錯把LiF認作了LiH。”

考慮到該項研究涉及的爭議，以及區分LiH與LiF所面臨的技術挑戰，該研究小組決定為LiH的存在提供多條證據，包括進行空氣暴露實驗。

研究人員表示：“LiF在空氣中是穩定的，LiH則不然。如果我們將該介面暴露在潮溼的空氣中，如果該化合物的含量隨著時間的推移而減少，就可以證實我們確實看到的是LiH，而不是LiF，而事實確實如此。由於很難區分LiH和LiF，而且之前從未進行過空氣暴露實驗，在很多文獻報道中，是很有可能錯把LiH認作LiF，或者由於LiH在潮溼環境中的分解反應而未被觀察到。”

研究人員繼續說道：“在PNNL完成的樣品製備工作對於該項研究至關重要，我們也懷疑很多人無法識別LiH是因為他們的樣品在進行實驗之前就被暴露在潮溼的環境中。如果不收集樣品，密封樣品，正確運輸樣品，可能就會錯過LiH。”

除了確認LiH的存在，該團隊還解決了另一個圍繞LiF的長期謎題。LiF一直被認為是介面的有利成分，但是一直沒有人完全瞭解原因何在。該團隊確定了介面內LiF以及大部分LiF本身存在的結構差異，發現前者可以促進鋰離子在陽極和陰極之間傳輸。

目前，布魯克海文國家實驗室、其他國家實驗室以及各大學的電池研究科學家們還在繼續合作。研究人員表示，該項研究成果將能夠為鋰金屬陽極提供急需的實用指導，推動此種有發展前景材料的研究向前發展。