▌引言

金屬鋰電池有望成為未來能量儲存領域的新星，但是諸如嵌鋰-脫鋰過程中的庫倫效率限制和鋰枝晶生長的安全性問題是其面臨的主要挑戰。

為了構建高性能的金屬鋰電池，精確測量鋰的庫倫效率是預測循環壽命的關鍵問題之一。當庫倫效率接近100%的時候，盡管是0.1%的增量也會導致金屬鋰電池循環壽命顯著的變化。然而，測量鋰的庫倫效率是受許多因素和測試方法影響的。比如，在鋰樣品的制備、轉移和分析過程中，要盡量謹慎地避免暴露在空氣中。

▌成果簡介

近日，來自西北太平洋國家實驗室的張基廣博士在著名期刊Advanced Energy Materials上發表題為” Accurate Determination of Coulombic Efficiency for Lithium Metal Anodes and Lithium Metal Batteries”的文章。該文章研究了影響金屬鋰庫倫效率測試的各種因素，并提出了一種精確測量金屬鋰庫倫效率的方法。

改進的測試庫倫效率的可靠方法可作為標準化技術從而為其他研究者提供借鑒，并幫助其減小不同研究組之間測試庫倫效率的誤差。該庫倫效率測試值可由此計算得到，并用于循環過程中鋰消耗量的的定量化和金屬鋰電池循環壽命的估算。

▌圖文導讀

圖一：方法1測試Li||Cu電池的電化學性能。

a) 使用方法1測試的Li||Cu電池循環示意圖；

b) 恒電流測試；

c) 電壓隨時間變化的變化曲線；

d) 計算的庫倫效率與循環次數的變化曲線。

圖二：方法2測試Li||Cu電池的電化學性能。

a) 使用方法2測試的Li||Cu電池循環示意圖；

b) 恒電流測試；

c) 電壓隨時間變化的變化曲線。

圖三：方法3測試Li||Cu電池的電化學性能。

a) 使用方法3測試的Li||Cu電池循環示意圖；

b) 恒電流測試；

c) 電壓隨時間變化的變化曲線。

圖四：不同沉積容量下的電化學性能。

a) 不同沉積容量下的電壓曲線；

b) 不同沉積容量下庫倫效率與循環次數的關系曲線。

圖五：穩定化過程。

a) 不同沉積容量循環下庫倫效率與循環次數的變化圖；

b) 庫倫效率達到穩定值的循環次數。

圖六：循環損失的庫倫效率。

a) 庫倫效率與循環次數的關系圖；

b) 積累循環容量和積累的電容損失關系。

圖七：裝配正極的理想金屬鋰電池。

a) 金屬鋰電池的示意圖；

b) 鋰插入NMC正極的電壓曲線。

▌小結

比較了幾種計算電化學嵌鋰-脫鋰方法的庫倫效率。使用方法1測試的 Li||Cu電池每一個循環的脫鋰過程徹底，是目前為止最傳統的方法，可以提供大部分關于積累電荷損失的信息。該方法可以有效地用于篩選不同電解液或者金屬鋰保護策略，并用于不同循環狀態。

然而其中一個弊端是，該方法在鈍化過程中庫倫效率是上升的，因此在計算平均庫倫效率或者模擬電池壽命的時候，穩定化之前的首次循環應該去掉。方法2中，鋰沉積在銅電極上，很少有固定的鋰容量能循環，最后鋰仍然完全地脫離到高電壓。

用這個方法只能計算庫倫效率的平均值，但是這個數值是比較精確的，因為在循環過程中鋰從鋰基底的表面嵌鋰-脫鋰，而不是在銅基底表面上進行。然而基底的狀態仍會通過初次和最后的脫鋰過程影響并決定庫倫效率。為了克服這些不確定性，文章提出了在沉積鋰之前使用高容量狀態（或穩定化狀態）循環來鈍化銅電極的方法。在穩定化過程后，庫倫效率可以通過循環有限厚度的鋰電極來計算。另外，盡管鋰電極的厚度得知，通過Li||Li電池測試庫倫效率并不可靠。最后，高循環容量導致了較高的庫倫效率值，這意味著嵌鋰-脫鋰過程的初始狀態比之后的過程消耗的要多一些。穩定化過程也與循環容量有關。