作者：niversityofCalifornia-SanDiego

對2017年首次推出的一類電池電解質(zhì)的改進(jìn)——液化氣電解質(zhì)——可能為可充電電池的高沖擊和長期尋求的進(jìn)步鋪平道路：用鋰金屬陽極代替石墨陽極。

這項研究于2019年7月1日發(fā)表在《焦耳》雜志上，其基礎(chǔ)是加州大學(xué)圣地亞哥分校和南8科技大學(xué)的同一研究小組于2017年在《科學(xué)》上首次報道的創(chuàng)新。

在商用鋰離子電池中尋找經(jīng)濟有效的替代石墨陽極的方法是非常有意義的，因為它可以通過在電池水平上增加50%的能量密度，使電池變得更輕，能夠儲存更多的電荷。增加的能量密度將來自多種因素的組合，包括鋰金屬陽極的高比容量、低電化學(xué)電位和輕量（低密度）。

因此，切換到鋰金屬陽極將大大擴大電動汽車的范圍，降低用于電網(wǎng)存儲的電池的成本，加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授ShirleyMeng解釋說，他是《焦耳》該論文的作者。

然而，要實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變還面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)。主要的障礙是鋰金屬陽極與傳統(tǒng)電解質(zhì)不兼容。當(dāng)這些陽極與傳統(tǒng)電解質(zhì)配對時，會出現(xiàn)兩個長期存在的問題：低循環(huán)效率和枝晶生長。

所以Meng和他的同事們的方法是改用一種更相容的電解質(zhì)，叫做液化氣電解質(zhì)。

液化氣電解質(zhì)

這些液化氣電解質(zhì)的一個誘人的方面是，它們在室溫和極低溫度下都能發(fā)揮作用，即使溫度降到零下60攝氏度。這些電解質(zhì)是由液化氣溶劑制成的，這些溶劑是在中等壓力下液化的氣體，比標(biāo)準(zhǔn)液體電解質(zhì)更耐冷凍。

在《焦耳》2019年的論文中，研究人員報告了如何通過實驗和計算研究，提高他們對液化氣電解質(zhì)化學(xué)的一些缺點的理解。有了這些知識，他們能夠定制液化氣電解質(zhì)，以提高鋰金屬陽極在室溫和零下60℃下的關(guān)鍵指標(biāo)性能。

在鋰金屬半電池測試中，研究小組報告表明，在室溫下500次充電循環(huán)中，陽極的循環(huán)效率（庫侖效率）為99.6%。高于2017年科學(xué)論文中報告的97.5%的循環(huán)效率，以及傳統(tǒng)（液體）電解質(zhì)鋰金屬陽極的85%的循環(huán)效率。

在零下60攝氏度時，研究小組證明鋰金屬陽極的循環(huán)效率為98.4%。相比之下，大多數(shù)傳統(tǒng)電解質(zhì)在零下20攝氏度以下便不能工作。

加州大學(xué)圣地亞哥分校團隊的模擬和表征工具，許多都是由ShirleyMeng領(lǐng)導(dǎo)的儲能和轉(zhuǎn)換實驗室開發(fā)的，這讓研究人員能夠解釋為什么鋰金屬陽極在液化氣電解質(zhì)中表現(xiàn)更好。至少部分原因與鋰粒子如何沉積在金屬陽極表面有關(guān)。

研究人員報告了使用液化氣電解質(zhì)時，鋰顆粒在鋰金屬陽極上平滑而致密的沉積。相反，當(dāng)使用常規(guī)電解質(zhì)時，鋰金屬陽極上會形成針狀枝晶。這些樹枝狀物會降低效率，造成短路，并導(dǎo)致嚴(yán)重的安全威脅。

測量鋰粒子在陽極表面沉積的密度的一個方法是多孔性，孔隙度越低越好。研究小組在報告說，在室溫下使用液化氣電解質(zhì)在金屬陽極上沉積的鋰粒子的孔隙率為0.90%。在常規(guī)電解質(zhì)存在下，多孔性上升到16.8%。

正確電解質(zhì)的競賽

目前，在尋找或改進(jìn)與鋰金屬陽極相容的電解質(zhì)方面有很大的進(jìn)展，并且在成本、安全性和溫度范圍方面具有競爭力。研究小組主要研究高濃度溶劑（液體）或固態(tài)電解質(zhì)，但目前還沒有銀彈。

“作為電池研究團體的一部分，我相信我們將開發(fā)鋰金屬陽極所需的電解質(zhì)。我希望這項研究能激勵更多的研究小組認(rèn)真研究液化氣電解質(zhì)。