移動電子產品的待機時間和電動汽車的續航里程取決于所用鋰離子電池的比能量。近年來，新型高比能金屬鋰二次電池得到廣泛關注，它采用鋰負極代替傳統石墨負極，比能量遠高于現有鋰離子電池體系，是當前新能源領域的研究前沿和熱點。

“但是鋰負極存在鋰枝晶，就像光滑的金屬表面長了一層毛刺。鋰枝晶不僅容易與電解液發生副反應，消耗電解液和產生“死”鋰，造成電池容量衰減，而且容易刺穿隔膜導致短路，誘發電池安全問題。”浙江工業大學材料科學與工程學院陶新永教授說到。多年來他和團隊一直從事綠色儲能材料及鋰金屬電池材料研究。

在國家自然科學基金項目（批準號：51722210、51972285、52071295）資助下，陶新永教授、張文魁教授等人借助冷凍透射電子顯微鏡技術定量化研究了金屬鋰負極固態電解質界面膜的化學成分，揭示了“死”鋰的形成和演變機制，并提出了通過鹵素的氧化還原反應來消除金屬鋰負極固態電解質界面上的鋰枝晶、“死”鋰等，并實現“死”鋰回收利用的新策略。

圖1 死鋰的形貌、結構及化學組成

該工作通過冷凍透射電子顯微鏡技術發現：失效的固態電解質界面阻斷了金屬“死”鋰的導電通路，產生了金屬“死”鋰碎片；氧化鋰是常規醚類和酯類電解液體系下金屬鋰負極表面固態電解質界面膜的重要組成部分（圖1）。

基于此，研究團隊提出了通過碘介體的氧化還原反應來實現“死”鋰激活和利用，設計了以生物質碳負載碘的緩釋型膠囊，結合氧同位素示蹤分析、紫外可見光譜等測試技術以及理論計算證實了以下三個科學發現：

一是碘氧化還原反應具有高度自發性和可逆性，以中間產物碘化鋰作為鋰元素的載體，碘酸鋰作為氧元素的載體，配合如磷酸亞鐵鋰正極等材料的高電位氧化作用，可以實現“死”鋰的激活和利用（圖2）；

二是緩釋型生物質碳負載碘膠囊可以有效降低局部電流密度，實現鋰的均勻沉積，減少鋰枝晶；

三是碘介質相較于電解液中的溶劑分子和鋰鹽具有更高電子親和性，會優先與鋰反應，從而抑制電解液的分解。

圖2 死鋰激活再利用的反應機制

該研究提出的方法另辟蹊徑，首次提出了動態修飾鋰金屬表面的概念，聚焦在“死”鋰的激活和再利用，將非活性氧化鋰和鋰金屬碎片中的鋰源巧妙地遷移到正極材料中，避免了金屬鋰電池的鋰損失，大大提升了金屬鋰電池的循環壽命。

▲陶新永教授在國際會議上作學術報告

不僅如此，陶新永還進一步分析道：“這種對失活電極材料的激活策略可進一步拓展到不同的負極材料體系，包括硅、錫及合金負極等，有望助力這些負極材料的規模化應用。”

該成果今年以“利用碘介質氧化還原激活鋰金屬負極中的死鋰（Rejuvenating dead lithium supply in lithium metal anodes by iodine redox）”為題發表在《Nature Energy》上。材料學院博士生金成斌和校聘教授劉鐵峰博士為共同第一作者，陶新永教授為通訊作者。這是浙江工業大學以第一單位首次在該期刊上發文。

▲陶新永教授（前排左四）團隊參加中國化學會年會

《Nature Energy》是《自然》雜志子刊，主要發表能源領域有重大突破性進展的高質量研究成果。最新影響因子為60.858，年發文量僅為100篇左右。