要问遥控器和电动汽车有什么共同点，恐怕是它们都用电池。电池，一个我们日常生活离不开的装置，在这个呼唤新能源的时代焕发出了多样的色彩，这其中名头最大的就是锂离子电池了。
别人用爱发电，我们用金属发电
在讲锂电池之前，让我们来回顾一下什么是电池。
电池是一种利用化学反应产生电能的装置，人们通常把既能充电又能放电的电池称为二次电池，比如锂离子电池；将只能放电的电池称为一次电池，如干电池。
18世纪末，意大利科学家伏特将锌片和银片浸泡在盐水中，发现这两个金属之间能够产生电流。于是，他便把银片和锌片用浸泡盐水的绒布叠加在一起，制造出了最早的一次电池——伏打电池。
一个典型的电池结构主要包括正极、负极、电解液和隔膜等关键部件（图1），如伏打电池中的银片和锌片就是电池的正负极，盐水是电解液，绒布是电池的隔膜，起到防止电池正负极短路的作用。伏打电池的放电过程中，正极消耗电解液产生氢气，负极金属锌溶解生成锌离子。
图1. 典型的电池结构（图片来源：参考文献[1]）
除了金属银和锌之外，科学家们发现其他不同金属之间也会产生电流，产生电流的大小与金属之间的“能量差”有关。这种不同金属之间的“能量差”通常被称为电势差，正负极之间的电势差构成了电池电压。正负极之间的电势差越大，电池的电压越高。
图2. (a)伏打电池（左）及其原理示意图（右）；(b)生活中常见的各种电池；(c)常见化学电池的发展历史概况。（图片来源：(a)来自维基百科；(b)来自veer图库；(c) 来自浙商证券研究所）
为什么是锂？
我们的生活中处处可见锂离子电池，金属那么多，为什么要选择锂呢？
这里就需要提到一个概念，叫作“能量密度”，即电池单位质量/体积能够释放的能量。在众多的金属元素中，锂元素的原子质量最轻。锂位于元素周期表第三位，相对原子质量只有7，意味着同等质量的金属，金属锂能够释放的能量最高，因此，对于锂电池的探究工作应运而生。
图3. (a)和(b)：常见的18650型LiCoO2锂离子电池；(c)锂离子电池的发展历程。（图片来源：(a)和(b)来自参考文献[2]；(c)来自veer图库）
科学家们最早开发的是锂一次电池，这种电池使用金属锂作为负极。与之前所述的伏打电池的锌负极类似，金属锂负极放电过程中会生成锂离子进入电解液中；充电过程相反，电解液中的锂离子会在电极上沉积形成金属锂。由于充电过程中沉积生成的“锂”不均匀，其形状类似于树枝，学术上又被称为“枝晶”，容易刺穿隔膜造成电池的短路着火。所以，尽管锂金属电池能量密度高，却难以进行充放电。
图4.“锂”金属负极的枝晶形貌（图片来源：来自参考文献[3]）
如今，常见的锂电池一般使用石墨材料作为负极。充电过程中，含锂正极材料（磷酸铁锂、钴酸锂以及锰酸锂正极等）脱出锂离子并穿过隔膜嵌入负极石墨的晶格当中；放电过程相反，锂离子从石墨负极当中脱出并回到正极材料当中。因此，我们生活中常见的锂电池又被称为锂离子电池。石墨负极的使用大大提高了电池的安全性，如今锂离子电池广泛应用于手机、电脑、电动汽车等领域。
2019年诺贝尔化学奖颁发给三位科学家，分别为美国科学家约翰·古迪纳夫(John B. Goodenough)、英国科学家斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham)和日本科学家吉野彰(Akira Yoshino)，以表彰他们在锂离子电池方面做出的卓越贡献。
图5. 2019年因在锂离子电池领域做出巨大贡献而获得诺贝尔化学奖的三位科学家。（图片来源： Graphic news）
然而，相对于金属锂，石墨作为电池负极能够释放出的能量有限，制约了电池能量密度的发挥。因此，科研工作者们不得不重新对锂金属负极进行研究，试图通过锂金属负极的使用来进一步提高电池的能量密度。
“锂枝晶”是如何产生的？
对于锂金属电池，充放电的过程中锂负极伴随沉积/溶解反应，在沉积的过程中，由于金属电极本身就不可能绝对平整，在突起的部位会聚集更多的负电荷，使得金属锂优先沉积。锂沉积的越多，突起就更高（图6a），电荷聚集就越多，接触到的锂离子也更多，这些都造成原本小小的突起越来越高，类似于生物学中的正反馈过程，高到一定程度就会刺穿隔膜导致电池短路。
图6. （a）锂金属负极枝晶及；(b) SEI层的形成过程（图片来源：(a)来自参考文献[4]；(b)来自参考文献[5]）
同时，锂金属虽然不如同主族的金属钠和金属钾性质活泼，但被称作活泼金属也是名副其实的。当与电解液接触后，锂金属会与电解液发生反应，在表面形成一个界面层，这个界面层就被称作SEI层(图6b)。
与我们生活中常见的金属腐蚀类似，如果这个界面层像氧化铝一样致密稳定，可以将锂金属和电解液隔绝，那么锂金属电池就能得到很好的保护；但如果SEI像铁锈一样疏松，电解液将会始终与锂接触，不断发生反应直到完全腐蚀。
因此，SEI也是金属锂电池研究的一个重要方向。除此之外，在锂沉积溶解的过程中，电池的体积也是时刻发生变化的，相比于石墨插层反应，锂的沉积/溶解体积变化更为显著，进一步对锂的均匀沉积和SEI膜的性能提出了要求。
新办法来了，一键解决锂金属负极问题
枝晶、腐蚀性、体积变化这三大难题，归根究底是电极与电解液界面的问题，所以研究者们的解决方法也是从界面入手。
他们想到了两个方法：可以通过电极材料和结构设计，使电荷分布更均匀，进而抑制锂枝晶生长；还可以通过对电解液组成进行优化，利用电解液与金属锂的反应形成稳定SEI膜。
近期，发表在学术期刊《Nature》（《自然》）上面的论文报道了一种防止锂金属腐蚀的锂沉积技术。研究人员通过在高电流密度下快速沉积锂来避免SEI层的形成。结果表明，在没有形成SEI的情况下，锂原子有序排列形成菱形十二面体，没有明显的枝晶生成，这颠覆了高电流密度加剧锂枝晶形成的普遍认知。
图7. 锂原子有序排列形成菱形十二面体（图片来源：参考文献[6]）
该研究成果意味着锂枝晶问题是有可能完全克服的，比如对调控电解液组分，避免电解液对锂负极的腐蚀，从而避免SEI的形成，那么锂离子将实现均匀沉积，大大推进锂金属负极的应用，提高电池的能量密度。
结语
随着技术的迭代发展，锂电池的能量密度将继续提高，这将使得锂电池在电动汽车、无人机等领域的应用更加广泛。除了锂电池外，更多其他电池技术也在飞速进步当中，比如燃料电池，锌基电池等。电池技术的发展也将大大推进新能源的大规模利用，为达成“碳中和”“碳达峰”的战略目标提供技术基础。
参考文献
1. Ghiji, M., et al., A review of lithium-ion battery fire suppression. Energies, 2020. 13(19): p. 5117.
2. Chen, M., et al., Study of the fire hazards of lithium-ion batteries at different pressures. Applied Thermal Engineering, 2017. 125: p. 1061-1074.
3. Whittingham, M.S., Inorganic nanomaterials for batteries. Dalton Transactions, 2008(40): p. 5424-5431.
4. Yang, C., et al., Protected Lithium‐Metal Anodes in Batteries: From Liquid to Solid. Advanced Materials, 2017. 29(36): p. 1701169.
5. Spotte-Smith, E.W.C., et al., Toward a Mechanistic Model of Solid–Electrolyte Interphase Formation and Evolution in Lithium-Ion Batteries. ACS Energy Letters, 2022. 7(4): p. 1446-1453.
6. Yuan, X., et al., Ultrafast deposition of faceted lithium polyhedra by outpacing SEI formation. Nature, 2023. 620(7972): p. 86-91.
出品：科普中国
作者：谢聪鑫 李学杨（中国科学院大连化学物理研究所）
监制：中国科普博览