[专栏，看电池]阻碍锂金属负极材料的屏障……“枝晶”究竟是什么

电池充放电时在负极表面形成结构
损伤隔膜致电池性能与寿命下降
通过锂金属表面处理抑制成关键技术

与正极材料相比，电池负极材料可选种类有限，目前实现商业化的材料只有石墨和硅。因此，锂金属负极被视为继石墨、硅之后的“最终Boss级”负极材料。

采用锂金属作为负极的电池，比使用石墨的电池更轻、体积更小，能量密度也更高。石墨是将锂存储在各分子层之间的结构，而使用锂金属则可以储存更多的锂。

不过，要将锂金属电池推向商业化，必须攻克一个技术难题——必须抑制枝晶（Dendrite）的形成。枝晶是锂在负极表面堆积时产生的树枝状晶体，会削弱电池的性能和安全性。研究锂金属电池的学界与企业正在围绕这一问题展开激烈的研究竞争。

枝晶为何会形成？要找到原因，首先要了解锂的特性。锂是一种极易与其他物质发生反应的元素。锂离子电池长期存在的爆炸风险问题，就源于锂的高反应性和易燃性。

在锂离子电池中，锂通过液态电解液在正负极之间往返移动，此时由于其高反应性，一旦接触电解液就会立即发生反应。反应的结果是在锂金属表面生成一层锂膜，这一层被称为“SEI（固态电解质界面膜，Solid Electrolyte Interphase）”。随着电池的使用，这一SEI层会逐渐变厚。

问题在于，这层SEI并不会光滑、均匀地形成。SEI是由成分极其多样的物质以马赛克形式分布在表面上，属于不均一薄膜。因此，在锂迁移的过程中，某些部位锂到达得更快，而其他部位则更慢。

在锂快速迁移的部位，SEI层会不断变厚，越厚越容易加速物质堆积，从而形成恶性循环。当这一过程达到临界点时，就会在其上方生成枝晶。

随着枝晶晶体不断长大，会损伤隔膜，导致电池性能下降。如果在充放电过程中体积急剧变化，就会生成在电气上与负极失去连接的“死锂（Dead Lithium）”，缩短电池寿命；相反，也可能导致电流急剧上升，引发火灾。

归根结底，要使用锂金属电池，就必须解决这种不均匀的SEI问题。目前的研究多采用在锂金属表面构建人工SEI层的方式。通常SEI在接触电解液的瞬间就会以不均匀的形式生成，而通过在电解液接触之前预先构建一层均匀膜，可以防止后续产生不均一结构。

典型案例是智能光学解决方案企业iL Science提出的抑制枝晶形成方案，正是利用了这一思路。其技术是在与锂金属接触的负极集流体——铜集流体表面涂覆锂过渡金属氧化物，以抑制枝晶的形成，或降低枝晶不均匀生成的频率。

电池企业LG能源解决方案的做法则略有不同。LG能源解决方案在去年12月与韩国科学技术院（KAIST）联合研究团队共同开发出全球首个将硼酸盐–吡喃（Borate-Pyran）基液态电解液应用于锂金属电池的技术。该电解液可将SEI重构为致密结构，从而维持充放电效率，并阻断电解液与锂金属之间的反应。

LG能源解决方案还在今年1月对美国下一代电池创业公司Sion Power进行了股权投资，并展开面向下一代锂金属电池开发的技术合作。Sion Power拥有包括锂金属电池负极保护层相关专利在内的470余项国际专利。