左側(cè)為常規(guī)電解質(zhì)，右側(cè)為新型電解質(zhì)

斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)為鋰金屬電池設(shè)計(jì)了一種新的電解質(zhì)，可以新增電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

在六月二十二日發(fā)表于《自然能源》上的一項(xiàng)研究中，斯坦福大學(xué)的研究人員展示了他們新穎的電解質(zhì)如何提高鋰金屬電池的性能，這是一種為電動(dòng)汽車、筆記本電腦和其他設(shè)備供電的前沿技術(shù)。

該研究的合作者，SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的崔教授表示，大多數(shù)電動(dòng)汽車都使用鋰電池，而鋰電池正在迅速接近其能量密度的理論極限。我們的研究重點(diǎn)是鋰金屬電池，它比鋰電池更輕，并且每單位重量和體積都可以供應(yīng)更多的電能。

鋰離子和金屬鋰

從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車，鋰電池都有兩個(gè)電極一個(gè)帶鋰的帶正電的陰極和一個(gè)通常由石墨制成的帶負(fù)電的陽(yáng)極。當(dāng)使用電池并對(duì)其進(jìn)行充電時(shí)，電解質(zhì)溶液可使鋰離子在陽(yáng)極和陰極之間來回穿梭。

鋰金屬電池每千克可容納的電量是當(dāng)今常規(guī)鋰電池的兩倍。這是由于鋰金屬電池用鋰金屬代替了石墨陽(yáng)極。

該研究的合作者之一，KK學(xué)院工程學(xué)教授李振安表示，鋰金屬電池在電動(dòng)汽車行業(yè)的應(yīng)用前景非常光明，但是在運(yùn)行過程中，鋰金屬陽(yáng)極會(huì)和液體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致在陽(yáng)極表面上生長(zhǎng)出稱為樹枝狀晶體的鋰微結(jié)構(gòu)，這可能導(dǎo)致電池著火并發(fā)生故障。研究人員花了數(shù)十年的時(shí)間來嘗試解決枝晶問題。

電解質(zhì)一直是鋰金屬電池的致命弱點(diǎn)，化學(xué)研究的共同重要作者余志高說。在研究中，我們使用有機(jī)化學(xué)來合理設(shè)計(jì)和制造這些電池的新型、穩(wěn)定的電解質(zhì)。

新電解質(zhì)

在這項(xiàng)研究中，余志高和他的同事們探索了是否可以使用常見的液體電解質(zhì)來解決穩(wěn)定性問題。

余志高說：我們假設(shè)在電解質(zhì)分子上添加氟原子會(huì)使液體更穩(wěn)定。氟是鋰電池電解液中廣泛使用的元素。我們利用其吸引電子的能力創(chuàng)建了一個(gè)新分子，使鋰金屬陽(yáng)極在電解質(zhì)中發(fā)揮良好的用途。

其研究結(jié)果是一種易于合成的新型合成化合物，縮寫為FDMB。科研人員指出，F(xiàn)DMB分子易于大量制造且價(jià)格便宜。

難以置信的表現(xiàn)

斯坦福大學(xué)研究小組測(cè)試了鋰金屬電池中的新電解質(zhì)。結(jié)果是驚人的。在420次充放電循環(huán)后，實(shí)驗(yàn)電池保留了其初始電量的90％。在實(shí)驗(yàn)室中，典型的鋰金屬電池會(huì)在大約30個(gè)循環(huán)后停止工作。

研究人員還測(cè)量了鋰離子在充電和放電過程中在陽(yáng)極和陰極之間傳輸?shù)男?，這種特性稱為庫(kù)侖效率。在研究中，半電池中有99.52％，全電池中有99.98％，其優(yōu)異性能表現(xiàn)得令人難以置信。

無陽(yáng)極電池

為了研究在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用前景，斯坦福大學(xué)的研究小組還測(cè)試了無陽(yáng)極鋰金屬袋式電池中的FDMB電解質(zhì)，該電池是市面上銷售的帶有陰極的電池，可為陽(yáng)極供應(yīng)鋰。

材料科學(xué)和工程專業(yè)的研究生合著者漢森王（HansenWang）說：我們的思路是僅在陰極側(cè)使用鋰來減輕重量。無陽(yáng)極電池在其容量下降到80％之前運(yùn)行了100個(gè)循環(huán)，這比不上同等的鋰電池，后者可以持續(xù)500到1000個(gè)循環(huán)，但仍然是性能最好的無陽(yáng)極電池之一。這些研究結(jié)果顯示出有望用于多種設(shè)備，輕巧、無陽(yáng)極的電池對(duì)無人機(jī)和許多其他消費(fèi)電子產(chǎn)品來說，很有吸引力。

電池500

美國(guó)能源部正在資助一個(gè)名為電池500的大型研究聯(lián)盟，以使鋰金屬電池可行，這將使汽車制造商可以制造出重量更輕的電動(dòng)汽車。這項(xiàng)研究得到了包括斯坦福大學(xué)和SLAC在內(nèi)的財(cái)團(tuán)的部分資助。

通過改進(jìn)陽(yáng)極、電解質(zhì)和其他組件，電池500的目標(biāo)是使鋰金屬電池可供應(yīng)的電量新增三倍，從該計(jì)劃于2016年開始時(shí)的每千克約180瓦時(shí)到每千克500瓦時(shí)。更高的能量重量比是解決電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]癥的關(guān)鍵。

崔教授指出，我們實(shí)驗(yàn)室的無陽(yáng)極電池每千克比能達(dá)到約325瓦時(shí)，這是一個(gè)可觀的數(shù)字。我們下一步是和電池500中的其他研究人員合作，以構(gòu)建達(dá)到500瓦時(shí)/千克的電池。

除了更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和更好的穩(wěn)定性外，F(xiàn)DMB電解液的可燃性也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電解液。我們的研究基本上供應(yīng)了一種設(shè)計(jì)原則，人們可以應(yīng)用它來設(shè)計(jì)更好的電解質(zhì)，研究人員最后表示。