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)電的陽極。當(dāng)使用電池并對其進(jìn)行充電時(shí)，電解質(zhì)溶液可使鋰離子在陽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，鋰金屬陽極會(huì)和液體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致在陽極表面上生長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。

研究人員還測量了鋰離子在充電和放電過程中在陽極和陰極之間傳輸?shù)男?，這種特性稱為庫侖效率。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)的研究小組還測試了無陽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、無陽極的電池對無人機(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。