斯坦福大學(xué)科學(xué)家發(fā)明的一種新的鋰基電解液可以為下一代電池供電的電動(dòng)汽車鋪平道路。

在6月22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)設(shè)計(jì)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)備供電的有前途的技術(shù)。

該研究的合著者，SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)與工程學(xué)教授和光子科學(xué)教授Yi Cui表示：“大多數(shù)電動(dòng)汽車都使用鋰離子電池運(yùn)行，而鋰離子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，它比鋰離子電池更輕，并且每單位重量和體積都可以提供更多的能量。”

從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車，鋰離子電池都有兩個(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)鋰離子電池的兩倍。鋰金屬電池通過用鋰金屬代替石墨陽極來做到這一點(diǎn)，鋰金屬可以存儲更多的能量。

該研究的合著者之一，KK學(xué)院工程學(xué)教授李振安說：“鋰金屬電池對于電動(dòng)汽車非常有前途，因?yàn)殡妱?dòng)汽車的重量和體積是一個(gè)大問題。”“但是在運(yùn)行過程中，鋰金屬陽極會(huì)與液體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致鋰微結(jié)構(gòu)在陽極表面上生長，稱為樹枝狀晶體，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。

化學(xué)著作的共同主要作者余志高說：“電解質(zhì)一直是鋰金屬電池的致命弱點(diǎn)。”“在我們的研究中，我們使用有機(jī)化學(xué)方法來合理設(shè)計(jì)和制造用于這些電池的新型，穩(wěn)定的電解質(zhì)。”

在這項(xiàng)研究中，Yu和他的同事們探索了他們是否可以使用常見的市售液體電解質(zhì)解決穩(wěn)定性問題。

于說：“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。”“氟是鋰電池電解質(zhì)中廣泛使用的元素。我們利用其吸引電子的能力來創(chuàng)建一個(gè)新分子，使鋰金屬陽極在電解質(zhì)中發(fā)揮良好的作用。”

結(jié)果是一種易于合成的新型合成化合物，縮寫為FDMB。

鮑說：“電解質(zhì)的設(shè)計(jì)正變得非常具有異國情調(diào)。”“有些顯示出良好的前景，但生產(chǎn)成本非常高。Zhiao提出的FDMB分子易于大量制造且價(jià)格便宜。”

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剩@種特性稱為“庫侖效率”。

“如果您充電1,000個(gè)鋰離子，那么放電后又能回收多少個(gè)鋰離子?”崔說。“理想情況下，您要在1,000的千分之一中實(shí)現(xiàn)100%的庫侖效率。要在商業(yè)上可行，單電池的庫侖效率至少應(yīng)為99.9%。在我們的研究中，半電池的99.52%，電池的99.98%。充滿細(xì)胞;令人難以置信的表現(xiàn)。”

為了潛在地用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，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)，這是市售的帶有陰極的電池，陰極可為陽極提供鋰。

材料科學(xué)與工程專業(yè)的研究生合著者漢森·王(Hansen Wang)說：“這種想法是僅在陰極側(cè)使用鋰來減輕重量。”“無陽極電池在容量下降到80%之前運(yùn)行了100個(gè)循環(huán)-不及同等的鋰離子電池，后者可以持續(xù)500到1,000個(gè)循環(huán)，但仍然是性能最好的無陽極電池之一。”

Bao補(bǔ)充說：“這些結(jié)果表明了廣泛的設(shè)備前景。”“輕巧，無陽極的電池將成為無人機(jī)和許多其他消費(fèi)電子產(chǎn)品的誘人特性。”

美國能源部(DOE)正在資助一個(gè)名為Battery500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，從而使充電之間的距離更長。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，Battery500的目標(biāo)是使鋰金屬電池可提供的電量幾乎增加三倍，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)。更高的能量重量比或“比能量”是解決潛在的電動(dòng)汽車購買者經(jīng)常遇到的里程焦慮的關(guān)鍵。

崔說：“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。”“我們的下一步可能是與Battery500中的其他研究人員合作，制造接近該財(cái)團(tuán)500千瓦時(shí)/千克目標(biāo)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電解質(zhì)的可燃性也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電解質(zhì)。

“我們的研究基本上提供了一種設(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)，” Bao補(bǔ)充說。“我們只是展示了一個(gè)例子，但還有許多其他可能性。”