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锂金属电池的能量密度可能远高于目前市场上主流的电池技术——锂离子电池。然而，锂金属电池通常也存在一些明显的局限性，其中最明显的就是使用寿命短。
中国科学技术大学和其他机构的研究人员最近推出了一种新型电解质设计，可用于开发高性能、更长寿命的锂金属软包电池。这种电解质发表在《自然能源》杂志的一篇论文中，具有独特的纳米级溶剂化结构，离子对紧密堆积在一起形成紧凑的离子对聚集体 (CIPA)。
论文共同作者焦树宏教授告诉 Tech Xplore：“我们最近研究的主要目标是显著加速锂金属电池的实际应用，并对这一复杂系统提供深入的机械理解。”
“锂金属电池是电池领域的圣杯，被视为一种有前途的下一代电池技术，因为它们具有超高的能量密度，理论上>500 Wh/kg。与当今主导电池市场的锂离子电池相比，这是两倍多，这意味着如果我们可以用锂金属电池取代锂离子电池，电动汽车的续航里程每次充电就可以增加一倍。”
迄今为止推出的锂金属电池的循环寿命非常有限，约为 50 次循环，这明显低于商用锂离子电池的循环寿命，后者通常可以在约 1,000 次循环中保持良好的性能。寿命较短的原因是锂枝晶的生长、锂金属的高反应性和高压过渡金属阴极，这些因素共同促使电解质不断降解。
“尽管世界各地的研究人员付出了巨大的努力，但锂金属电池的性能仍然远远不能令人满意（>500 Wh/kg，1,000 次循环），”焦教授说。“主要原因是电解质和电极之间的界面（即阳极-电解质界面和阴极-电解质界面）不能像锂离子电池那样完全稳定。在电池运行过程中，电解质仍然会持续严重降解。”
大约五年前，焦教授和她的同事设计了一种电解质，可以同时稳定锂金属电池中的阳极电解质和阴极电解质界面，从而抑制电解质的降解。他们的电解质设计建立在对锂金属电池内部微观物理化学过程的早期研究的基础上。
焦教授解释说：“电解质是锂金属电池的关键成分，因为它可以调节SEI的化学性质/结构，从而引导锂金属的电镀行为，最终决定电池的性能。”
“出于实际应用目的，我们尝试使用廉价组件来实现这一点。该领域其他研究人员的无数工作也给了我们很大的启发，因为他们引入了许多新型电解质，如高浓度电解质、局部高浓度电解质、弱溶剂化电解质和液化气电解质等。”
为了进行这项最新研究，焦教授及其研究小组与其他能够进行理论计算并在微观尺度上表征电解质的团队合作。他们的合作最终设计出一类可延长锂金属电池寿命的新型电解质。
他们设计的电解质由市场上可买到且价格实惠的分子制成，其特点是其独特的溶剂化结构。
焦教授说：“溶剂化结构是电解质的一个关键固有特征，因为它控制着电解质的界面行为，就像它的界面反应机制控制着 SEI 的形成，从而控制着 SEI 的化学和结构。”
“迄今为止，在科学同行评审文献中，电解质溶剂化结构已经在微观层面上得到了深入的调整，特别是锂离子的第一个溶剂化壳，但超出这一规模的结构调整，即第二个溶剂化壳及以后的结构调整，却在很大程度上被忽视了。”
焦教授及其同事的最新研究开创了在介观层面上调节电解质溶剂化结构的先河。他们的独特设计特别关注电解质聚集结构形成背后的离子对之间的相互作用。
“我们的电解质具有大型致密聚集体，这些聚集体由锂阴离子对紧密堆积并相互配位形成，我们将其定义为‘致密离子对聚集体 (CIPA)’，”焦教授说。“这与局部高浓度电解质中小聚集体和单独离子对的主导地位形成了鲜明对比，这是一种最先进的电解质类别，具有迄今为止领先的电池性能，为电解质设计开辟了一条新途径。”
值得注意的是，该研究团队设计的新型电解液在锂金属负极上表现出独特的集体还原现象。这意味着CIPA结构中的阴离子云在锂表面被快速还原（即分解），形成Li2O和LiF等无机化合物以及一层薄而稳定的SEI，进而抑制了电解液的不断分解。
“得益于独特的集体电子转移行为，我们的电解质形成了一层薄而保形的 SEI，有机含量低，无机成分丰富且分布均匀，这可以促进 SEI 内部锂离子通量均匀，锂沉积不形成枝晶，”焦教授说。“这会导致均匀、致密的锂沉积，从而减少锂金属阳极的比表面积，进一步抑制电解质分解。”
此外，研究人员新设计的电解质同时表现出良好的氧化稳定性，并抑制了过渡金属元素从阴极的溶解，从而提高了阴极界面的稳定性。研究发现，该界面的稳定性以及锂-电解质界面的稳定性可转化为长时间的稳定循环。
焦教授表示：“我们论文中介绍的介观溶剂化结构带来了一类新型电解质，为锂金属电池的电解质设计开辟了一条新途径。”
为了评估新设计的电解质的潜力，研究人员用它来制造了 500 Wh/kg 的锂金属袋式电池。在初步测试中，发现该电池在运行 130 次后仍能保留 91% 的能量。未来，这种新的电解质设计可以被世界各地的其他研究人员复制和测试，以进一步评估其延长锂金属电池寿命的潜力。
焦教授补充道：“我们目前计划将 500 Wh/kg 锂金属软包电池的循环寿命进一步延长至 1,000 次以上。”“另一方面，我们仍在探索新的电池系统，以实现更高的能量密度和更长的使用寿命，例如 ≥ 600 Wh/kg 和 100-200 次循环。所有这些基础科学研究对于实现锂金属电池在许多场景中的部署都很有价值。”
更多信息： Yulin Jie 等人，通过紧凑离子对聚集电解质实现长寿命 500 Wh kg−1 锂金属软包电池，《自然能源》（2024 年）。DOI ：10.1038/s41560-024-01565-z
期刊信息： 《自然能源》
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发表于 2024-8-19 07:39:32