不活跃的锂岛像蠕虫一样蠕动，重新连接到它们的电极，恢复电池的容量和寿命。

美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员认为，他们已经发现了一种使可充电锂电池恢复活力的方法，这可能会增加电动汽车的续航里程和下一代电子设备的电池寿命。

随着锂电池的循环，电极之间会形成小的非活性锂岛，从而降低电池保持电荷的能力。然而，研究人员发现，他们可以让这种“死”锂像蠕虫一样向其中一个电极蠕动，直到它重新连接，从而部分逆转这个不受欢迎的过程。

添加这个额外的步骤减缓了他们测试电池的退化，并将其寿命延长了近 30%。

12 月 22 日发表在《自然》杂志上的一项研究的主要作者、斯坦福大学博士后研究员 Fang Liu 说：“我们现在正在探索使用极快的放电步骤恢复锂离子电池容量损失的可能性。”

动画展示了锂电池测试电池的充电和放电如何导致“死”或分离的锂金属岛在电极之间来回蠕变。锂离子在电解液中来回移动，在岛的两端产生负（蓝色）和正（红色）电荷区域，随着电池充电和放电，它们会交换位置。金属锂在岛的负端聚集，在正端溶解；这种持续的增长和分解导致了这里看到的来回运动。SLAC 和斯坦福大学的研究人员发现，在电池充电后立即添加一个短暂的大电流放电步骤可以推动岛向阳极或负极的方向生长。重新连接阳极可使岛上死去的锂起死回生，并将电池寿命延长近 30%。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室。

失去了连接

大量研究正在寻找制造重量更轻、寿命更长、安全性更高且充电速度比目前用于手机、笔记本电脑和电动汽车的锂离子技术更快的可充电电池的方法。一个特别的重点是开发锂金属电池，这种电池可以在单位体积或重量上储存更多的能量。例如，在电动汽车中，这些下一代电池可以增加每次充电的里程数，并可能占用更少的后备箱空间。

两种电池类型都使用带正电的锂离子在电极之间来回穿梭。随着时间的推移，一些金属锂变得电化学惰性，形成不再与电极连接的孤立的锂岛。这会导致容量损失，这对于锂金属技术和锂离子电池的快速充电来说是一个特殊的问题。

然而，在新的研究中，研究人员证明他们可以调动和回收孤立的锂以延长电池寿命。

“我一直认为孤立的锂很糟糕，因为它会导致电池衰减甚至着火，”斯坦福大学和 SLAC 教授、斯坦福材料与能源研究所 (SIMES) 研究员 Yi Cui 说，他领导了该项目研究。“但我们已经发现了如何将这种‘死’锂与负极重新电连接以重新激活它。”

爬行，没死

当 Cui 推测向电池的阴极和阳极施加电压可以使孤立的锂岛在电极之间物理移动时，这项研究的想法就诞生了——他的团队现在已经通过他们的实验证实了这一过程。

科学家们制造了一个光学电池，该电池具有锂-镍-锰-钴-氧化物 (NMC) 阴极、锂阳极和介于两者之间的孤立锂岛。该测试设备使他们能够实时跟踪电池在使用过程中发生的情况。

他们发现孤立的锂岛根本没有“死”，而是对电池运行做出反应。给电池充电时，岛慢慢地向阴极移动；放电时，它向相反的方向爬行。

“它就像一条非常缓慢的蠕虫，它的头向前一点点，尾巴向内拉，一个纳米一个纳米地移动，”崔说。“在这种情况下，它通过在一端溶解并将物质沉积到另一端来进行运输。如果我们能让锂蠕虫保持移动，它最终会接触到阳极并重新建立电连接。”

当一个失活的锂金属岛移动到电池的阳极或负极并重新连接时，它会恢复生机，为电池的电流提供电子，并为电池提供锂离子以储存电荷，直到需要它为止。该岛通过在一端（蓝色）添加锂金属并在另一端（红色）溶解它来移动。来自 SLAC 和斯坦福大学的研究人员发现，他们可以通过在电池充电后立即添加一个短暂的高电流放电步骤来驱动岛向阳极方向生长。将岛重新连接到阳极，将锂离子测试电池的寿命延长了近 30%。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

延长寿命

科学家们通过其他测试电池和计算机模拟验证了这些结果，还证明了如何通过修改充电协议在真实电池中回收孤立的锂。

“我们发现我们可以在放电过程中将分离的锂移向阳极，并且这些运动在更高的电流下更快，”刘说。“因此，我们在电池充电后立即添加了一个快速、大电流的放电步骤，将隔离的锂移动得足够远，使其与阳极重新连接。这会重新激活锂，使其参与电池的使用寿命。”

她补充说：“我们的发现也对更坚固的锂金属电池的设计和开发具有广泛的意义。”