左側為常規(guī)電解質，右側為新型電解質

斯坦福大學的研究人員已經為鋰金屬電池設計了一種新的電解質，可以新增電動汽車的續(xù)駛里程。

在六月二十二日發(fā)表于《自然能源》上的一項研究中，斯坦福大學的研究人員展示了他們新穎的電解質如何提高鋰金屬電池的性能，這是一種為電動汽車、筆記本電腦和其他設備供電的前沿技術。

該研究的合作者，SLAC國家加速器實驗室的崔教授表示，大多數電動汽車都使用鋰電池，而鋰電池正在迅速接近其能量密度的理論極限。我們的研究重點是鋰金屬電池，它比鋰電池更輕，并且每單位重量和體積都可以供應更多的電能。

鋰離子和金屬鋰

從智能手機到電動汽車，鋰電池都有兩個電極一個帶鋰的帶正電的陰極和一個通常由石墨制成的帶負電的陽極。當使用電池并對其進行充電時，電解質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今常規(guī)鋰電池的兩倍。這是由于鋰金屬電池用鋰金屬代替了石墨陽極。

該研究的合作者之一，KK學院工程學教授李振安表示，鋰金屬電池在電動汽車行業(yè)的應用前景非常光明，但是在運行過程中，鋰金屬陽極會和液體電解質發(fā)生反應。這會導致在陽極表面上生長出稱為樹枝狀晶體的鋰微結構，這可能導致電池著火并發(fā)生故障。研究人員花了數十年的時間來嘗試解決枝晶問題。

電解質一直是鋰金屬電池的致命弱點，化學研究的共同重要作者余志高說。在研究中，我們使用有機化學來合理設計和制造這些電池的新型、穩(wěn)定的電解質。

新電解質

在這項研究中，余志高和他的同事們探索了是否可以使用常見的液體電解質來解決穩(wěn)定性問題。

余志高說：我們假設在電解質分子上添加氟原子會使液體更穩(wěn)定。氟是鋰電池電解液中廣泛使用的元素。我們利用其吸引電子的能力創(chuàng)建了一個新分子，使鋰金屬陽極在電解質中發(fā)揮良好的用途。

其研究結果是一種易于合成的新型合成化合物，縮寫為FDMB。科研人員指出，FDMB分子易于大量制造且價格便宜。

難以置信的表現

斯坦福大學研究小組測試了鋰金屬電池中的新電解質。結果是驚人的。在420次充放電循環(huán)后，實驗電池保留了其初始電量的90％。在實驗室中，典型的鋰金屬電池會在大約30個循環(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的效率，這種特性稱為庫侖效率。在研究中，半電池中有99.52％，全電池中有99.98％，其優(yōu)異性能表現得令人難以置信。

無陽極電池

為了研究在消費類電子產品中的應用前景，斯坦福大學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，該電池是市面上銷售的帶有陰極的電池，可為陽極供應鋰。

材料科學和工程專業(yè)的研究生合著者漢森王（HansenWang）說：我們的思路是僅在陰極側使用鋰來減輕重量。無陽極電池在其容量下降到80％之前運行了100個循環(huán)，這比不上同等的鋰電池，后者可以持續(xù)500到1000個循環(huán)，但仍然是性能最好的無陽極電池之一。這些研究結果顯示出有望用于多種設備，輕巧、無陽極的電池對無人機和許多其他消費電子產品來說，很有吸引力。

電池500

美國能源部正在資助一個名為電池500的大型研究聯盟，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汽車。這項研究得到了包括斯坦福大學和SLAC在內的財團的部分資助。

通過改進陽極、電解質和其他組件，電池500的目標是使鋰金屬電池可供應的電量新增三倍，從該計劃于2016年開始時的每千克約180瓦時到每千克500瓦時。更高的能量重量比是解決電動汽車里程焦慮癥的關鍵。

崔教授指出，我們實驗室的無陽極電池每千克比能達到約325瓦時，這是一個可觀的數字。我們下一步是和電池500中的其他研究人員合作，以構建達到500瓦時/千克的電池。

除了更長的循環(huán)壽命和更好的穩(wěn)定性外，FDMB電解液的可燃性也遠低于傳統(tǒng)電解液。我們的研究基本上供應了一種設計原則，人們可以應用它來設計更好的電解質，研究人員最后表示。