加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師們提出了在超低溫下性能良好的鋰金屬電池的新見解；主要是電解質(zhì)對鋰離子的吸附力越弱越好。通過使用這種弱結(jié)合的電解液，研究人員開發(fā)了一種鋰金屬電池，可以在低至-60攝氏度的溫度下反復(fù)充電，這在該領(lǐng)域尚屬首次。

研究人員在2月25日發(fā)表在《自然能源》上的一篇論文中報告了他們的工作。

在測試中，概念驗證電池在-40攝氏度和-60攝氏度的溫度下，分別在50次循環(huán)中保持了84%和76%的容量。研究人員說，這樣的表現(xiàn)是前所未有的。

其他的鋰電池已經(jīng)被開發(fā)用于亞冰點溫度下，能夠在寒冷中放電，但充電時需要溫暖。這意味著，為了在諸如外層空間和深海探測等應(yīng)用中使用這些電池，必須攜帶一個額外的加熱器。另一方面，新電池可以在超低溫下充電和放電。

這項工作是加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授劉平、陳崢和托德·帕斯卡的實驗室合作完成的，為改善鋰金屬電池的超低溫性能提供了一種新的途徑。到目前為止，許多研究都集中在選擇不易凍結(jié)的電解質(zhì)，并能保持鋰離子在電極之間快速移動。在這項研究中，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，不一定是電解液移動離子的速度有多快，而是電解液釋放離子并將其沉積在陽極上的容易程度。

“我們發(fā)現(xiàn)鋰離子和電解液之間的結(jié)合，以及離子在電解液中的結(jié)構(gòu)，決定了這些電池在低溫下的生死。”第一作者、加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院納米工程博士生約翰·霍洛貝克說。

研究人員通過比較兩種電解質(zhì)的電池性能得出了這些發(fā)現(xiàn)：一種與鋰離子結(jié)合較弱，另一種與鋰離子結(jié)合較強。含弱結(jié)合電解質(zhì)的鋰金屬電池在-60攝氏度時整體表現(xiàn)較好，50次循環(huán)后仍能保持強勁運行。相反，具有強結(jié)合電解質(zhì)的電池在僅僅兩個周期后就停止工作。

循環(huán)電池后，研究人員將它們分開，比較陽極上的鋰金屬沉積物。兩者的區(qū)別也很明顯，在弱結(jié)合電解質(zhì)的細(xì)胞中，沉積物光滑均勻，而在強結(jié)合電解質(zhì)的細(xì)胞中，沉積物呈塊狀和針狀。

細(xì)節(jié)很重要

研究人員說：“電池性能的差異都?xì)w結(jié)為納米尺度的相互作用。鋰離子如何在原子水平上與電解液相互作用，不僅可以在非常非常低的溫度下實現(xiàn)可持續(xù)循環(huán)，而且可以防止枝晶的形成。”

為了了解原因，研究小組利用計算模擬和光譜分析詳細(xì)研究了這些相互作用。在其中一種被稱為二乙醚（DEE）的電解質(zhì)中，研究人員觀察到鋰離子與周圍電解質(zhì)分子弱結(jié)合的分子結(jié)構(gòu)。在另一種被稱為DOL/DME的電解質(zhì)中，研究人員觀察到了離子和電解質(zhì)分子之間具有強結(jié)合的結(jié)構(gòu)。

研究人員說，這些結(jié)構(gòu)和結(jié)合強度很重要，因為它們最終決定了鋰在低溫下如何沉積在陽極表面。Holoubek解釋說，在DEE電解液中觀察到的弱束縛結(jié)構(gòu)中，鋰離子很容易離開電解液，因此不需要太多的能量就可以使它們沉積在陽極表面的任何地方，這就是為什么DEE中的沉積物平滑而均勻。但在強束縛結(jié)構(gòu)中，如DOL/DME中的結(jié)構(gòu)，需要更多的能量將鋰離子從電解質(zhì)中拉出。因此，鋰更傾向于沉積在陽極表面有極強電場的地方，任何有尖頭的地方。鋰會繼續(xù)堆積在尖端直到電池短路，這就是為什么DOL/DME中的沉積物是塊狀和樹枝狀的。

“弄清楚鋰形成的不同類型的分子和原子結(jié)構(gòu)，鋰如何與某些原子協(xié)調(diào)這些細(xì)節(jié)很重要。”指導(dǎo)計算研究的帕斯卡說，通過從根本上理解這些系統(tǒng)是如何結(jié)合在一起的，我們可以為下一代儲能系統(tǒng)提出各種新的設(shè)計原則。這項工作展示了納米工程的威力，在納米工程中，搞清楚小尺度下發(fā)生了什么，就可以在大尺度上設(shè)計器件。

兼容陰極

這些基本的見解使研究小組能夠設(shè)計出一種陰極，這種陰極與電解質(zhì)和陽極相兼容，具有低溫性能。它是一種硫基陰極，由低成本、豐富和環(huán)境友好的材料制成，不使用昂貴的過渡金屬。

這項工作的意義是雙重的，劉說，他的實驗室設(shè)計了陰極，并一直在優(yōu)化這種陰極在DEE正常條件下的循環(huán)性能科學(xué)地說，它提出了與傳統(tǒng)觀點相反的見解。從技術(shù)上講，它是第一款可充鋰金屬電池，能夠在-60℃下完全運行時提供有意義的能量密度。這兩方面都為超低溫電池提供了一個完整的解決方案。