近日，浙江工业大学材料科学与工程学院陶新永教授应邀在Science上发表了题为“Electric pulses rejuvenate batteries”的展望论文（Perspective），对高容量电池材料“死亡”及活性修复进行了评论和展望。
随着电池技术不断革新和发展，一系列高容量的正负极材料备受关注，如硅、锂负极。然而，这些高容量材料在电池反复的充电和放电过程中会发生巨大的体积形变，造成电极材料严重的结构变形和粉化。活性材料将会从电极上脱落，并失去与其他电池组分的有效电接触。这些被孤立的、电化学惰性的材料被定义为“失活材料”，包括为人熟知的死硅，死锂，死硫。这些失活材料不仅会造成电池容量的衰减，还会阻碍离子传输/转化，并加速电解液的消耗。以往的研究主要致力于通过调控电极/电解液化学、设计电解液和电极结构等策略来抑制失活材料的形成。尽管这些方法可以减缓活性物质的脱落，然而它们并不能修复已经形成的失活材料和损失的电池容量。因此，亟需开发有效的电池材料修复技术。
结合团队多年来对锂金属电池失效及调控方面的深入研究与系统认知，陶新永教授等归纳评价了现有的几类电极材料修复技术：
■氧化还原介质法，引入反应性的氧化还原介质将死锂转化为游离于电解液中的自由离子，并通过充电态正极对锂离子进行捕获、存储和再利用。
■静置法，通过静置实现死锂表面SEI膜的溶解，使得后续沉积的锂可以与死锂建立电子导电通路，然而静置时长和重连效率有待优化。
■此外，陶新永教授重点评述了斯坦福大学的研究者们近期提出的“脉冲法”：该方法通过脉冲电压等技术引入不均匀电场，具有不同复介电常数的失活材料（如死硅LixSi）在电场中受到斥力或者引力而发生定向移动（即介电泳），促进脱落的失活材料与电极之间的结构性和电子接触，电池容量修复率达~30%。陶新永教授等认为脉冲法这类能够促使电子通路重连的激活策略有望进一步拓展到不同电极材料和电池体系。
新能源材料与技术研究所陶新永教授、张文魁教授（所长）等多年来致力于锂金属电池中的负极材料和界面研究，发展了特色的死锂抑制型和疏导型策略。例如，开发了高效、低成本的冷冻电镜技术阐明了锂的微观生长机制，率先提出“亲锂位点调控锂形核生长”的策略，构筑了一系列高性能亲锂骨架，抑制了枝晶和死锂的形成（Nano Energy 2017, 37, 177、Nature Communications 2020, 11, 488、Science Advances 2020, 6, eaaz3112）；设计了一系列稳定界面的人工界面膜（如单分子层材料），有效钝化保护负极及其界面，电池寿命显著提升（Science 2022, 375, 739、Science Advances 2023, 9, eadf1550、Advanced Materials 2020, 32, 2000223、Nature Communications 2023, 14, 8269）。此外，开创性地提出了死锂激活再利用的疏导型策略，为攻克失活电极材料修复技术瓶颈提供了关键认识和重要策略（Nature Energy 2021, 6, 378、Nano Letters 2022, 22, 8346、Advanced Functional Materials 2021, 32, 2111026）。
浙江工业大学材料科学与工程学院陶新永教授为该论文的唯一通讯作者，浙江工业大学为该论文第一通讯单位，第一作者金成滨研究员为浙江工业大学博士毕业生，师从陶新永教授开展死锂激活研究，现已入职中国计量大学。
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来源 / 浙工大科技
