科學家開發新型鋰金屬電池將下一代電池使用壽命提高到創紀錄水平

據外媒報道，下一代電池的一個特別有前途的架構是使用純鋰金屬，這種材料具有出色的能量密度，可以使電動汽車在每次充電時行駛更遠。美國的一個研究小組已經在這項技術上邁出了重要的一步，提出了一種長效鋰金屬電池的設計，該電池在破紀錄的充電周期內仍能保持功能。

這些類型的電池背後的想法是將陽極組件中使用的石墨換成純鋰金屬，它可以容納多達10倍的能量。鋰金屬被一些研究人員描述為一種夢幻般的材料，被認為是幫助我們突破能源儲存的關鍵瓶頸的關鍵，但科學家們一直在努力解決壽命問題，到目前為止開發的版本在使用過程中很快就會失效。

這種失敗的原因之一是發生在陽極周圍的複雜反應，影響到陽極上面的一層薄膜，稱為固體電解質界面相(SEI)。這層薄膜控制着從電解質溶液中進入陽極的分子，電子通過這層薄膜來回穿梭於電池的另一個電極，即陰極。

這樣一來，這種把關的作用使SEI承擔了防止電池循環時發生不必要的化學反應的責任，而這正是美國能源部西北太平洋國家實驗室（PNNL）的科學家在一項新研究中所針對的機制。人們通常認為，增加陽極中的鋰的數量是解決這一問題的方法之一，但該團隊通過另一種方法發現了成功。

“許多人都認為，更厚的鋰會使電池的壽命更長，”該論文的通訊作者肖傑說。“但這並不總是真的。每個鋰金屬電池都有一個優化的厚度，取決於其電池能量和設計。”

科學家們使用非常薄的鋰條作為他們的陽極的基礎，每條的寬度只有20微米，遠比人的頭髮薄。這種陽極被加工成能量密度為350Wh/kg的袋式電池。今天使用的同類最好的鋰離子電池的密度為250至300Wh/kg，因此雖然350Wh/kg在研究界並非聞所未聞，但它將是對目前可用技術的明顯改進。

在測試中，該團隊發現，在創紀錄的600次循環后，該電池保持了76%的容量。同樣的研究人員在四年前展示了一個可以跨越50次循環的實驗性鋰電池，然後在兩年前展示了一個能夠跨越200次循環的鋰電池。目前這個創紀錄的版本是向前邁出的另一個關鍵步驟，根據該團隊的說法，其持續時間遠遠超過類似研究項目中正在開發的任何其他產品。

該團隊將該設計的成功歸功於較薄的條帶促進了更好的SEI，因此與扼殺重要電化學反應的較厚條帶相比，電解質和陽極之間有更好的相互作用。在解決了與鋰金屬電池有關的一個關鍵問題之後，作者希望通過一個被稱為Battery500的多機構聯盟繼續改進該技術，該聯盟正在努力實現500Wh/kg的能量密度。

“Battery500聯盟在提高能量密度和延長循環壽命方面取得了巨大進展，”2019年諾貝爾化學獎得主、該論文的共同作者斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）說。“但還有很多事情需要做。特別是，鋰金屬電池存在的安全問題必須得到解決。這也是Battery500團隊正在努力解決的問題。”

該研究發表在《自然-能源》雜誌上。