作者：niversityofCalifornia-SanDiego

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

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

在商用鋰離子電池中尋找經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，降低用于電網存儲的電池的成本，加州大學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，要實現這一轉變還面臨著技術挑戰。主要的障礙是鋰金屬陽極與傳統電解質不兼容。當這些陽極與傳統電解質配對時，會出現兩個長期存在的問題：低循環效率和枝晶生長。

所以Meng和他的同事們的方法是改用一種更相容的電解質，叫做液化氣電解質。

液化氣電解質

這些液化氣電解質的一個誘人的方面是，它們在室溫和極低溫度下都能發揮作用，即使溫度降到零下60攝氏度。這些電解質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，比標準液體電解質更耐冷凍。

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化學的一些缺點的理解。有了這些知識，他們能夠定制液化氣電解質，以提高鋰金屬陽極在室溫和零下60℃下的關鍵指標性能。

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

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

加州大學圣地亞哥分校團隊的模擬和表征工具，許多都是由ShirleyMeng領導的儲能和轉換實驗室開發的，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中表現更好。至少部分原因與鋰粒子如何沉積在金屬陽極表面有關。

研究人員報告了使用液化氣電解質時，鋰顆粒在鋰金屬陽極上平滑而致密的沉積。相反，當使用常規電解質時，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，并導致嚴重的安全威脅。

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在金屬陽極上沉積的鋰粒子的孔隙率為0.90%。在常規電解質存在下，多孔性上升到16.8%。

正確電解質的競賽

目前，在尋找或改進與鋰金屬陽極相容的電解質方面有很大的進展，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）或固態電解質，但目前還沒有銀彈。

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