无阳极锂金属电池(Anode-Free Lithium Metal Batteries，简称 LMB)是满足大容量储能需求的理想选择，不过目前此类电池的库仑效率较低。而先进的电解液开发能够最大限度地镀锂和剥离铈，并最大限度地减少电容量衰减以改善库仑效率，被认为是解决这一问题的可行途径。

近日，美国德州大学奥斯汀分校 阿鲁穆甘·曼提拉姆(Arumugam Manthiram) 教授课题组 的博 士后研究员苏来锁与其团队获得了对锂电镀和剥离工艺的深入理解，他们使用同步加速器技术及其他工具分析了三种商用电解质对无阳极 LMB 的组成、不均匀性、动力学、形态和电化学的影响，这将有力推动高效无阳极 LMB 的发展。

据了解，苏来锁所在的阿鲁穆甘·曼提拉姆教授课题组是知名的诺奖课题组。 苏来锁称，“该研究成果可以用于提高锂金属电池和无阳极锂金属电池的循环性能，推进 高能量密度电池 的商业化进程，从而进一步推动电动汽车和电动无人机的发展。”

1 月 6 日，相关论文以《具有紧密堆积的均质锂形态的高效、无阳极锂金属电池》(High-efficiency, anode-free lithium–metal batteries with a close-packed homogeneous lithium morphology)为题发表在 Energy & Environmental Science [1] 。

图 | 相关论文(来源：Energy & Environmental Science)

据了解，锂离子电池已经成为最成功的商业二次可充电电池。其拥有高能量密度、长循环寿命、较快的充放电速率、低廉的成本以及可靠的安全性能，被广泛应用在便携式设备以及电动汽车等领域。

为进一步扩大锂离子电池的应用场景，美国能源部(Department of Energy)成立了多个相关项目，并针对不同的应用场景对电池性能设立了相应的目标。例如，电动车应用场景下的锂离子电池应实现了 235Wh/kg 的质量能量密度和 500W/L 的体积能量密度，价格定为 125 美元 KW/h。

当前，商用电动车电池通常采用三元正极、石墨负极、碳酸酯类电解液等材料。要想进一步提升电池的性能，需要采用具有更高能量密度的材料。

相比于当前商业上使用的这些材料，锂金属具备 3862mAh/g 的极高比容量和极低的电位，是下一代二次电池负极材料的首选之一。

而在所有的锂金属电池中，无阳极锂金属电池可以将电池的质量能量密度推向 450Wh/kg 的极致，其锂源全部来自正极材料。

但需要注意的是，无阳极锂金属电池没有负极寄主材料的保护，也未得到负极侧的锂补偿，其使用时发生的所有不可逆活性锂损失都将直接带来一定的电池容量损失。

因此，如何提升循环性能成为无阳极锂金属电池领域的最大挑战之一。

这种情况下，苏来锁及其团队将工作集中在研究无阳极锂金属电池在循环过程中容量损失的机理，为提高其循环性能提供方法和指导。

据悉，在该研究中，美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory，简称 ANL)提供了大量的支持和帮助。

通过与 ANL 合作，该团队采用原位 XRD 技术研究了无阳极锂金属电池在不同商业化电解液中的沉积和剥离过程，并采用 XRD 扫描获得锂金属在负极沉积的分布情况。

苏来锁提到，其在研究过程所遇到的最大困难是：需要申请使用同步辐射光源。同步辐射光源也被称为第零代光源，是一类能够形成同步辐射的物理设备，其早期研究在电子同步加速器上进行，可广泛应用于多学科和工业领域的研究。

在和 ANL 的合作者进行沟通和讨论后，他们成功激发了对方的研究热情和兴趣，从而获得了足够的同步辐射实验时间来开展此次研究。

半年的时间里，他们做了三次同步辐射实验，获得了大量珍贵的实验数据。

由于疫情影响，该团队无法去 ANL 现场开展实验，只能将实验样品寄给合作者，让合作者帮助开展实验。过程中还发生不少曲折但有趣的故事。

美国高校及邮递公司对锂离子电池有很严格的邮寄规定，需要经过许多繁琐的手续才能完成寄送，而且寄送过程中经常出现延误和寄丢的情况。

为确保实验样品能够准时寄到 ANL，该团队会同时准备 2 到 3 批样品，分多次寄出，并不断跟踪样品的运输情况，但样品还是经常被延误，无法准时送达到 ANL。

在此情况下，ANL 的合作者付出了不少努力。有时，他们需要开车去快递公司取样品，或者和其他实验人员交换实验时间，甚至只能放弃实验时间。

另外，实验过程中，该团队是通过视频会议的方式跟 ANL 进行交流沟通。第一次实验时，ANL 的合作者就告诉苏来锁，这批电池中有很多都有问题，无法正常充电。经过多次沟通之后才发现，原来是合作者将电池的正负极接反了。

发现问题的原因之后，所有研究人员都捧腹大笑。苏来锁称，由于同步辐射的时间宝贵，实验需要通宵开展，大笑之后，他们都没了困意，继续开展后续的实验。

此外，该团队采用扫描电镜、原位可视化窗口电池等手段研究了锂金属在不同商业电解液中沉积的形貌，并发现双盐脂类电解液和局部高浓度醚类电解液可以促进锂离子在沉积初期形成无定型锂，这些无定型锂可以帮助形成致密且均匀的锂金属形貌。

而致密的锂金属形貌可以减少其和电解液的接触面积，从而降低锂金属和电解液副反应所带来的容量损失;均匀分布的锂金属则可以有效减少死锂量，从而提升电池的循环性能。

通过对比不同电解液的成分，该团队分析了这些电解液对锂离子沉积和剥离过程的影响，为进一步设计用于无负极锂金属电池的电解液提供了指导和研究方向。

目前，苏来锁团队正在开展进一步的研究。他表示，“这次的研究成果，让我们对用于高效锂金属电池和无负极锂金属电池的电解液的设计有了全新的理解。基于这些认知，我们正在开发新型电解液来提高锂金属电池和无负极锂金属电池的循环性能，加快推进其商业化进程。”

据了解，苏来锁出生于 1992 年，是安徽省合肥市人。2009 年，苏来锁考入合肥工业大学，并通过选拔进入全校唯一的机电实验班学习机械和电气专业知识，本科期间的成绩排名专业第一。

2013 年，他被保送进入清华大学汽车系攻读硕士学位，师从张剑波教授，开始从事锂离子电池的研究，其硕士论文被评为同专业当届唯一的校级优秀论文。

2016 年，苏来锁获得美国卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的全额奖学金，并去往该校攻读机械工程博士学位，师从 B. 里贾·贾扬( B. Reeja-Jayan ) 教授 。 2021 年 4 月，他进入著名的诺奖课题组 阿鲁穆甘·曼提拉姆 教授课题组 开展博士后研究。

当前，苏来锁的职位是博士后研究员，研究的内容主要包括开发高能量密度的新型锂离子电池和锂金属电池。他表示，“我是有回国打算的，并计划在 2023 至 2024 年申请国内高校的教职。”

标签： 研究员分析 三种商用电解质 商用电解质 循环性能