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。

在六月二十二日發(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(guó)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YiCui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供應(yīng)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(yáng)極。當(dāng)使用電池并對(duì)其進(jìn)行充電時(shí)，電解質(zhì)溶液可使鋰離子在陽(yáng)極和陰極之間來(lái)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(guò)用鋰金屬代替石墨陽(yáng)極來(lái)做到這一點(diǎn)，鋰金屬可以存儲(chǔ)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(shuō)：“鋰金屬電池有關(guān)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(wèn)題。”“但是在運(yùn)行過(guò)程中，鋰金屬陽(yáng)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(yáng)極表面上生長(zhǎng)，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(lái)嘗試解決枝晶問(wèn)題。

化學(xué)著作的共同重要作者余志高說(shuō)：“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(lái)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(wèn)題。

于說(shuō)：“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。”“氟是鋰離子電池電解質(zhì)中廣泛使用的元素。我們利用其吸引電子的能力來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新分子，使鋰金屬陽(yáng)極在電解質(zhì)中發(fā)揮良好的用途。”

結(jié)果是一種易于合成的新型合成化合物，縮寫為FDMB。

鮑說(shuō)：“電解質(zhì)的設(shè)計(jì)正變得非常具有異國(guó)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(cè)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(cè)量了鋰離子在充電和放電過(guò)程中在陽(yáng)極和陰極之間傳輸?shù)男剩@種特性稱為“庫(kù)侖效率”。

“假如您充電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(shuō)。“理想情況下，您要在1,000的千分之一中實(shí)現(xiàn)100%的庫(kù)侖效率。要在商業(yè)上可行，單電池的庫(kù)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(cè)試了無(wú)陽(yáng)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(yáng)極供應(yīng)鋰。

材料科學(xué)與工程專業(yè)的研究生合著者漢森·王(HansenWang)說(shuō)：“這種想法是僅在陰極側(cè)使用鋰來(lái)減輕重量。”“無(wú)陽(yáng)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(wú)陽(yáng)極電池之一。”

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

美國(guó)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(zhǎng)。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(guò)改進(jìn)陽(yáng)極，電解質(zhì)和其他組件，Battery500的目標(biāo)是使鋰金屬電池可供應(yīng)的電量幾乎新增三倍，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(gòu)買者經(jīng)常遇到的里程焦慮的關(guān)鍵。

崔說(shuō)：“我們實(shí)驗(yàn)室的無(wú)陽(yáng)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(zhǎng)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)。

“我們的研究基本上供應(yīng)了一種設(shè)計(jì)原則，人們可以應(yīng)用它來(lái)設(shè)計(jì)更好的電解質(zhì)，”Bao補(bǔ)充說(shuō)。“我們只是展示了一個(gè)例子，但還有許多其他可能性。”