美国能源部 (DOE)布鲁克海文国家实验室的研究人员采用电解质添加剂来改善高能量密度锂金属电池的功能。通过在分隔电池阳极和阴极的电解液中添加硝酸铯，锂金属电池的充电速率显着提高，同时保持较长的循环寿命。

  锂金属电池具有锂金属阳极，而不是锂离子电池中存在的石墨阳极。“锂金属电池很着迷，因为它能够给大家提供两倍于石墨阳极电池的单位体积内的包含的能量，”布鲁克海文电化学储能小组的研究助理、最近发表在《自然通讯》上的论文的第一作者·莫米努尔·拉赫曼（Muhammad Mominur Rahman）解释说。“但还有很多挑战要解决。”

  这些挑战之一是寻找能够形成有效界面的电解质。这种保护层可防止电池电极退化，是制造可与当今最先进的电池一样频繁充电和放电的锂金属电池的关键。

  “我们希望提高当前最先进的锂金属电池的充电速率，”拉赫曼解释道。“但我们还希望能够通过更具保护性的界面来稳定电池，以便它们的常规使用的寿命更长。”

  电化学储能组首席研究员胡恩元和他的团队是 Battery500 联盟的成员，该联盟是多个国家实验室和大学的合作项目。该联盟的主要目标之一是制造单位体积内的包含的能量为每公斤500瓦时的电池，这是当前锂离子电池单位体积内的包含的能量的两倍多。

  通常，可以在一定程度上完成电池快充的电解质也可能与锂金属阳极发生反应。如果这些化学反应不受控制地进行，电解质就会分解并缩短电池的循环寿命。为避免这样的一种情况发生，布鲁克海文的科学家决定设计界面。

  先前的研究表明，铯添加剂可以稳定锂金属阳极。但为了更好的提高充电速率同时保持电池循环寿命，阳极和阴极必须同时稳定。研究人员相信硝酸铯能够适用于锂金属电池的这一目的。正如他们所假设的，正铯离子积聚在电池带负电的锂金属阳极侧，而负硝酸根离子则积聚在带正电的阴极上。

  为了更好地了解硝酸铯添加剂怎么样影响电解质组成和电池性能，科学家们在布鲁克海文实验室的美国能源部科学办公室用户设施国家同步加速器光源II（NSLS-II）使用了四条不同的光束线。

  先前的研究表明，铯添加剂可以稳定锂金属阳极。但为了更好的提高充电速率同时保持电池循环寿命，阳极和阴极必须同时稳定。研究人员相信硝酸铯能够适用于锂金属电池的这一目的。正如他们所假设的，正铯离子积聚在电池带负电的锂金属阳极侧，而负硝酸根离子则积聚在带正电的阴极上。

  使用X射线粉末衍射（XPD）光束线的根据结果得出，硝酸铯添加剂增加了已知组分的存在，使界面更具保护性。有必要注意一下的是，除了典型的晶体成分外，还鉴定出一种名为双（氟磺酰基）酰亚胺铯的化合物。拉赫曼强调：“这种间期成分以前从未被报道过。”。

  研究电池的科学家一致认为氟化锂是良好界面的必要组成部分。令人惊讶的是，它不在那里。“我们不知道为啥它不在那里，”胡说。“但事实上，这种不含氟化锂的中间相可以在一定程度上完成长循环寿命和快充，这一事实激励我们重新审视目前对中间相的理解。”

  他们使用亚微米分辨率 X 射线光谱 (SRX) 光束线，定量分析了循环后电池电极及其各自界面上收集的化学元素。扫描 XRF 图像证实阳极界面相中存在的铯多于阴极界面相中的铯。硝酸铯添加剂还可以有效的预防构成阴极的过渡金属的分解，有助于阴极和锂金属电池的整体稳定性。

  研究中还使用了快速 X 射线吸收和散射 (QAS) 以及原位和操作软 X 射线光谱 (IOS) 光束线，并对各个电极上存在的原子的化学和电子状态进行了详细分析。

  此外，在功能纳米材料中心（CFN）的材料合成和表征设施中进行的扫描电子显微镜实验表明，当将硝酸铯添加到电解质中时，电化学反应形成的锂均匀沉积，有助于电极的稳定。

  通过将两个用户设施的各种技术相结合，科学家们可以全方面了解锂金属电池在硝酸铯添加剂的作用下的表现。拉赫曼说：“锂金属电池已经取得了长足的进步，但仍有很长的路要走。相间在仍需取得的进展中发挥着关键作用。”。“我们的工作为相间工程创造了新的机会，我希望这将激励其他人以不同的方式看待相间，从而加快锂金属电池的开发。”