隨著經(jīng)濟(jì)全球化以及科技的快速發(fā)展，人類對能源的需求日益增加，尤其是近年來電動(dòng)汽車和移動(dòng)電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，高能量密度儲(chǔ)能材料成為科學(xué)研究的焦點(diǎn)。盡管傳統(tǒng)的以石墨為負(fù)極材料的插層式鋰離子電池在電子設(shè)備產(chǎn)品市場中占據(jù)重要地位，然而它的能量密度已經(jīng)接近其上限，逐漸無法滿足消費(fèi)者的使用需求。與插層式的鋰離子電池相比，以金屬鋰直接作為負(fù)極使用的鋰金屬電池（如Li-S，Li-O2等電池體系）在能量密度方面表現(xiàn)出得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，已經(jīng)成為近期的研究熱點(diǎn)。然而，金屬鋰陽極在使用過程中表現(xiàn)出許多亟待解決的實(shí)際問題。首先，它具有極高的電化學(xué)還原性能，在充放電過程中極易與電解液反應(yīng)，大量消耗活性鋰和電解液。其次，不可控的枝晶生長和電極體積變化以及逐漸積累的副反應(yīng)產(chǎn)物和“死鋰”始終是金屬鋰陽極面臨的嚴(yán)峻問題。依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院研究人員深入分析了鋰金屬的特性，考慮到實(shí)際應(yīng)用中的客觀情況，首先從原位實(shí)時(shí)形成角度來構(gòu)筑人造界面（Chem. Mater. 2017, 29, 4682-4689），實(shí)現(xiàn)負(fù)極穩(wěn)定的鋰沉積和脫出；此外，工作人員對鋰金屬電池用電解液進(jìn)行優(yōu)化，分別設(shè)計(jì)了含有添加劑的雙鹽電解液（Small, 2019, 1900269），改性聚碳酸亞乙烯酯基高電壓聚合物電解質(zhì)（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 5295-5304）以及剛?cè)岵?jì)的高鋰離子遷移系數(shù)的復(fù)合電解質(zhì)（Small, 2018, 14, 1802244），對金屬鋰陽極的界面進(jìn)行有效的改性調(diào)控，對開發(fā)高能的鋰金屬二次電池具有較好的指導(dǎo)意義。其中，實(shí)驗(yàn)所用添加劑為青島儲(chǔ)能院自主開發(fā)的新型大陰離子結(jié)構(gòu)的全氟叔丁氧基三氟硼酸鋰（LiTFPFB）。

隨著鋰金屬陽極保護(hù)工作的不斷深入，研究人員對鋰金屬電池中的鋰枝晶和“死鋰”導(dǎo)致的失效機(jī)理越發(fā)關(guān)注，但是由于兩者相似的形貌，如何觀測和區(qū)分兩者是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)的課題，而這個(gè)問題對于了解電池失效機(jī)理和預(yù)測鋰金屬電池的循環(huán)壽命極其重要。為描述鋰金屬負(fù)極表面活性鋰物種分布，并區(qū)分鋰枝晶和“死鋰”，青島儲(chǔ)能院的研究人員受分析化學(xué)中熒光探針方法的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種 9,10-二甲基(DMA)熒光探針，通過傳統(tǒng)可見光學(xué)手段完成了這項(xiàng)任務(wù)，該技術(shù)得到國際同行的肯定，相關(guān)成果撰寫了題目為Fluorescence Probing of Active Lithium Distribution for Lithium Metal Anode 的科研論文（Angewandte Chemie International Edition，2019，DOI：10.1002/anie.201900105）。

在電池進(jìn)行充放電循環(huán)后，金屬鋰負(fù)極表面可能會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物積累（大量副產(chǎn)物包覆會(huì)使活性鋰失活，即產(chǎn)生“死鋰”）。因此研究人員將熒光小分子DMA均勻涂覆在循環(huán)后的鋰金屬表面。由于DMA可以與活性鋰發(fā)生熒光猝滅的反應(yīng)，而在副產(chǎn)物表面保持穩(wěn)定，因此可以表征鋰離子電池陽極表面活性鋰及其副產(chǎn)物在各種電解質(zhì)中的分布情況，為鋰離子電池電解質(zhì)的選擇提供了重要的參考依據(jù)；在鋰沉積溶解過程中，副產(chǎn)物的積累被可視化和半定量地識(shí)別出來，可以把電池的性能衰減與副產(chǎn)物的量聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)對電池性能失效的防控預(yù)警；在循環(huán)后的鋰負(fù)極表面可以清楚地識(shí)別出鋰枝晶和“死鋰”的位置，能夠?qū)κщ姵剡M(jìn)行原因分析。這項(xiàng)技術(shù)為鋰金屬電池的失效機(jī)理分析提供了一個(gè)思路和方向。

相關(guān)系列研究獲得國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、新能源汽車固態(tài)電池項(xiàng)目、中科院深海先導(dǎo)專項(xiàng)、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金、中科院青年促進(jìn)會(huì)基金等的支持。

（a）DMA與鋰金屬表面成分反應(yīng)示意圖；（b）TEGDME/DME(1:1)中5 mg mL-1的DMA被金屬鋰處理前后（藍(lán)線為處理前，紅線為處理后）的發(fā)射光譜曲線；（c）DMA探針法觀察循環(huán)后鋰金屬表面活性鋰分布的過程