近日，諾貝爾化學獎授予給來自美國的約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough）、英國的斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）以及日本的吉野彰（Akira Yoshino），以獎勵他們在鋰離子電池的發展過程中所作出的貢獻，那麼鋰電池的下一個研究熱點又是什麼呢？
2019年10月25日，美國華盛頓國家實驗室的Jie Xiao教授在國際等級期刊《Science》在線發表名為“How lithium dendrites form in liquid batteries”的綜述文章，系統闡述了液相電池中鋰的存在作用、鋰金屬電池目前存在的問題及今後的發展方向，為該領域的科研工作者指明瞭以後的方向。
2019年諾貝爾化學獎獲得者
常規的可充電鋰（Li）離子電池使用石墨作為陽極，其中鋰離子存儲在層狀石墨中。然而，現在正在考慮使用鋰金屬作為陽極。這是目前的研究熱點、同時還是下一代電池技術，它可能使傳統鋰離子電池的電池能量增加一倍。可充電鋰金屬電池已在四十多年前實現商業化，但出於安全原因有過短暫的停用期。近年來，隨著電解質、電極結構和表徵技術的發展，科研工作者對充放電過程中決定電池性能的界面反應有了更好的理論理解，並激發了人們對可再充電電池中使用鋰金屬陽極的重新評估。
鋰金屬電池的主要挑戰在於充電過程中，鋰金屬電化學鍍覆會以不規則的方式形成尖銳的微觀結構，就像從溶液中電鍍出來的其他金屬一樣，沒有“整平劑”或“增白劑”的參與。沒有添加這些有機化合物的情況下，鋰金屬通常是樹突狀或者粉末狀的形態；若是添加了這些有機化合物，鋰金屬表面會更加的光滑和光亮。金屬陽離子的質量傳輸會形成樹突狀的金屬結構，金屬陽離子被溶劑分子包圍，必須從整體電解質轉移到電極附近的電雙層的外邊界，進行電吸附過程。然後，溶液中的陽離子會從溶劑分子中脫除，並還原為電極表面上的吸附原子（吸附原子）。隨後這些分子擴散到金屬表面並嵌入到金屬晶格中。
電鍍
電解質相中金屬陽離子的質量傳輸很大程度上決定了電鍍金屬的最終形態，不過這個因素經常被忽略，甚至是在討論鋰形成樹突狀結構時。質量傳輸有三種不同的形式，分別為擴散、對流和遷移，它們都會影響溶液中的陽離子的含量。在電化學還原過程中，陽離子擴散的方向與其電遷移路徑基本一致，但是在靜態電化學電池（無淨流量的電池）中，自然對流是不可避免和不可預測的，並且會干擾該過程。因此，某些陽離子會比其他陽離子移動得更快或更慢，從而在電極附近產生不同的濃度梯度。
假設陽離子的電化學沉積速率不是很快，並且在整個電極上保持相同的沉積速率，再加上在電極和液體電解質之間沒有形成界面層，那麼陽離子將非常緩慢的移動到電極表面，從而使得電極附近的濃度梯度均勻變化。濃度梯度變化更陡峭的原因是，電鍍後陽離子不能立即得到完全補充。金屬樹突狀晶體會擴散到大量電解質中，在該電解質中可以使用更多的陽離子。金屬突起還具有較高的電流密度，這會自動加速枝晶生長。
如果陽離子在電解質中的移動非常快，則電極附近的濃度梯度會變小，此時金屬沒有優選的生長方向。如果不考慮質量傳輸則會形成相對較大的顆粒而沒有明顯的突起。一旦電鍍的金屬粒子變得足夠大，它就可以充當新的集電器，可以在表面上生長其自身的樹枝狀晶體。
從鋰顆粒中伸出的隨機形成的纖維狀鋰的觀察結果反映了鋰電鍍過程中該區域內的不同對流條件。當施加高電流密度時，大大加快了電化學還原或鋰離子的消耗速率。因此，與鋰離子的消耗速度相比，鋰離子在電解質中的擴散速度變得相對緩慢，很容易在整個電極上建立很強的濃度梯度。因此，在高電流密度下，金屬沉積非常不均勻。
由於Li金屬與電解質的有機溶劑發生反應，固體電解質中間相（SEI）層的分解產物、具有較高比表面積的的樹突狀鋰會有更高的反應活性。絕緣的SEI層會加劇陽極內電場的不均勻分佈，並導致更多的樹枝狀晶體生長。電解質和樹枝狀Li之間的反應不可逆地消耗電解質，並且絕緣SEI層的堆積會產生“失效”的Li，從而完全失去與陽極的電子接觸。放電過程中直接剝離鋰也會使鋰顆粒與陽極表面斷開連接和脫離。
在電池中，電解質和鋰金屬的來源都極為有限（比實驗室紐扣電池測試小一個量級），再加上電解質和Li之間持續副反應的發生，它們會很快被耗盡。 鋰金屬電池一般會存在容量突然急劇下降（幾乎為0）卻沒有任何的警告，而鋰離子電池則會顯示出電池容量的逐漸下降過程。這是鋰、電解質耗盡或者SEI層阻抗積聚的結果。如果鋰枝晶繼續生長而沒有間斷，它將最終穿透隔膜並造成內部短路。
均衡的濃度梯度
現在重要的是需要開發一種有效的方法來使短路現象與鋰金屬的短循環壽命脫鉤。促進鋰金屬均勻電鍍的一種方法是增加電解質濃度，這有助於平滑電極表面附近的平均濃度梯度。SEI層的性質如源自電解質的本身的離子電導率和膜阻抗有很大的關係，因此不是所有的濃縮電解質都可以使用這種方法。濃縮電解質的高粘度也將限制其實際應用如應避免使用多孔的SEI層，因為它將阻礙離子向金屬表面的擴散，從而加速建立濃度梯度。
在液流電池中，整體電解質中加快離子傳輸速度將導致更多大粒徑、較低的表面積的Li金屬的沉積。脈衝鍍層提供了使擴散層鬆弛並減慢強濃度梯度演變的速度，增加了時間。將三維導電基質嵌入到鋰金屬陽極會降低用於還原鋰離子的實際電流密度。碳基質提供了連續的電子滲透途徑，極大地減慢了死鋰的形成。然而，必須仔細考慮碳主體本身的重量和孔隙率，以使碳中的額外重量和主體中儲存的過量電解質減至最小。
在袋式電池上施加外部壓力可以延長鋰金屬電池的可逆循環。外部壓力還通過實際電池中非常有限的電解質含量來改善新生Li表面的潤溼性。
綜上所述，為了解決樹突狀鋰的問題，必須要將SEI層包含在內，否則任何方法都不會有效果。在重複循環之後，塗覆在相對厚的鋰陽極上的非常薄的離子導電層最終將波動並編織成多孔鋰結構。理想的電解質應與Li幾乎沒有副反應的發生，從而不會消耗電解質或者不會有SEI層的形成。即使這樣，質量傳輸控制的枝晶形成仍然存在。電解質還應在電極表面附近限制形成強濃度梯度，並促進鋰離子在液相中的快速擴散。這樣添加劑將非常有用，均衡整個電極表面上的濃度梯度。
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https://science.sciencemag.org/content/366/6464/426
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