科学家利用弱电解质键让锂金属电池在低温下更好地运行

为了探索更具应用前景的锂电池，许多研究团队已将目光放到了基于纯锂的金属阳极方案，而不是当前普遍采用的混合材料。同时为了攻克在低温下性能不佳的缺点，该领域的科学家们也已经取得了一些突破。比如加州大学圣迭戈分校（UCSD）的研究团队，就依靠电解质中的弱键，释放了锂金属电池在寒冷条件下的空前性能。


锂离子和电解质分子之间结合的模拟结构（来自：UCSD）

锂金属电池之所以被寄予厚望，是因为与当前普通的石墨 / 铜混合材料相比，纯锂金属阳极具有出色的能量密度。

在巨大的差异面前，研究人员将之描述为一种“梦想材料”，并且期望成为未来打破能量密度瓶颈的一个关键。

作为在循环过程中于电池两极间来回携带锂离子的溶液，电解质在一块电池中的重要性也是不言而喻。

通常情况下，低温电池需要额外的加热系统。不过加州大学圣迭戈（UCSD）研究团队正在开发的这种锂金属电池，却有望在极端低温下进行高效的充放电。

据悉，其目的是开发出一种不会冻结的电解液，并且能够在低温下保持锂离子在电极之间的流动性。

目前研究团队正在尝试两种类型的电解质，其中一种可与离子牢固结合、另一种则要弱得多，进而验证哪种情况更适用于低温工况。

结果发现，在 -60℃（-76℉）环境下，采用牢固结合电解质的这组实验电池仅能坚持两个循环，而后就停止了工作。

作为对比，采用弱结合电解质方案的电池，可在经历 50 次充放电循环后，依然保持平稳的运行，且能够保留 76% 的原始容量。

如果将工作温度改成 -40℃（-40℉），弱结合电解质方案的电池组更能保留初始容量的 84% 。

论文一作 John Holoubek 表示：“我们发现锂离子与电解质之间的结合、以及离子在电解质中所占据的结构，与它们在低温下的表现有极大的关联”。

针对此类概念验证电池的进一步研究表明，弱结合电解质能够让离子更均匀地沉积在电池阳极上，而强结合电解质则会导致块状和针状的沉积（枝晶）。

枝晶是改善锂电池性能的另一个重要公关方向，因其可能导致电池发生短路失效等严重故障。

研究合著者 Zheng Chen 表示：“通过在原子层面了解锂离子和电解质的相互作用，不仅可以提升锂电池的低温表现，还有助于防止枝晶的形成”。

展望未来，这种类型的设备有望在外层空间和深海勘探等领域发挥重要的作用。有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《自然能源》（Nature Energy）期刊上。

原标题为《Tailoring electrolyte solvation for Li metal batteries cycled at ultra-low temperature》。