加州大學(xué)圣迭戈分校的納米工程師們發(fā)現(xiàn)了在超低溫下性能良好的鋰金屬電池的新原理;主要是電解質(zhì)對(duì)鋰離子的吸附越弱越好。通過(guò)使用這種弱結(jié)合電解質(zhì)，研究人員開(kāi)發(fā)出了一種可在零下60攝氏度反復(fù)充電的鋰金屬電池，這在該領(lǐng)域尚屬首次。

研究人員將他們的研究成果發(fā)表在2月25日的《自然能源》雜志上。

在測(cè)試中，概念驗(yàn)證電池在-40和-60攝氏度的50次循環(huán)中分別保留了84%和76%的容量。研究人員說(shuō)，這樣的表現(xiàn)是前所未有的。

其他用于低溫下使用的鋰電池可以在低溫下放電，但充電時(shí)需要加熱。這意味著必須帶上額外的加熱器，以便在外太空和深海探索等應(yīng)用中使用這些電池。另一方面，新電池，可在超低溫下充放電。

這項(xiàng)工作是由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授劉平、陳錚和托德·帕斯卡共同完成的，他們提出了一種在超低溫下提高鋰金屬電池性能的新方法。到目前為止，許多努力都集中在選擇不會(huì)那么容易凍結(jié)的電解質(zhì)，并能保持鋰離子在電極之間快速移動(dòng)。在這項(xiàng)研究中，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵不在于電解質(zhì)移動(dòng)離子的速度有多快，而在于電解質(zhì)釋放離子并將其沉積在陽(yáng)極上的容易程度。

“我們發(fā)現(xiàn),鋰離子和電解質(zhì)之間的綁定和結(jié)構(gòu),離子的電解質(zhì),意味著生死這些電池在低溫下,”第一作者約翰Holoubek說(shuō),加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程博士生雅各布斯工程學(xué)院。

研究人員通過(guò)比較兩種電解質(zhì)的電池性能得出了這些發(fā)現(xiàn):一種是與鋰離子結(jié)合較弱的電解質(zhì)，另一種是與鋰離子結(jié)合較強(qiáng)的電解質(zhì)。具有弱結(jié)合電解質(zhì)的鋰金屬電池在-60攝氏度下整體性能更好;在50次循環(huán)后，它仍然運(yùn)行強(qiáng)勁。相比之下，具有強(qiáng)結(jié)合電解質(zhì)的細(xì)胞在兩個(gè)周期后就停止工作了。

在細(xì)胞循環(huán)后，研究人員將它們分開(kāi)，比較陽(yáng)極上的鋰金屬沉積。分歧也很明顯。電解質(zhì)結(jié)合較弱的細(xì)胞沉積光滑均勻，而電解質(zhì)結(jié)合較強(qiáng)的細(xì)胞沉積塊狀針狀。

細(xì)節(jié)問(wèn)題

研究人員說(shuō)，電池性能的差異都可以歸結(jié)為納米級(jí)的相互作用。“鋰離子如何在原子水平上與電解質(zhì)相互作用，不僅能夠在非常、非常低的溫度下持續(xù)循環(huán)，而且還可以防止枝晶的形成，”陳說(shuō)。

為了理解其中的原因，研究小組利用計(jì)算模擬和光譜分析詳細(xì)研究了這些相互作用。在一種被稱為乙醚(DEE)的電解質(zhì)中，研究人員觀察到由鋰離子組成的分子結(jié)構(gòu)與周圍的電解質(zhì)分子弱結(jié)合。在另一種被稱為DOL/DME的電解質(zhì)中，研究人員觀察到離子和電解質(zhì)分子之間的強(qiáng)結(jié)合結(jié)構(gòu)。

研究人員說(shuō)，這些結(jié)構(gòu)和結(jié)合強(qiáng)度非常重要，因?yàn)樗鼈冏罱K決定了鋰在低溫下如何沉積在陽(yáng)極表面。Holoubek解釋說(shuō)，在像DEE電解質(zhì)中觀察到的那種弱束縛結(jié)構(gòu)中，鋰離子可以很容易地離開(kāi)電解質(zhì)，所以不需要太多能量就能讓它們沉積在陽(yáng)極表面的任何地方。這就是沉積物在DEE中平滑均勻的原因。但是在強(qiáng)束縛結(jié)構(gòu)中，比如DOL/DME，需要更多的能量才能將鋰離子從電解質(zhì)中拉出來(lái)。因此，鋰會(huì)傾向于沉積在陽(yáng)極表面有極強(qiáng)電場(chǎng)的地方——任何有尖端的地方。鋰會(huì)繼續(xù)堆積在尖端直到電池短路。這就是為什么DOL/DME中的沉積物呈塊狀和樹(shù)枝狀。

“找出鋰形成的不同類型的分子和原子結(jié)構(gòu)，以及鋰如何與特定的原子協(xié)調(diào)——這些細(xì)節(jié)很重要，”Pascal說(shuō)，他指導(dǎo)了這項(xiàng)計(jì)算研究。“通過(guò)從根本上理解這些系統(tǒng)是如何結(jié)合在一起的，我們可以為下一代能源存儲(chǔ)系統(tǒng)提出各種新的設(shè)計(jì)原則。這項(xiàng)工作展示了納米工程的力量，通過(guò)弄清楚小尺度上發(fā)生了什么，可以在大尺度上設(shè)計(jì)設(shè)備。”

兼容的陰極

這些基本的見(jiàn)解使該團(tuán)隊(duì)能夠設(shè)計(jì)出與電解質(zhì)和陽(yáng)極兼容的陰極，以實(shí)現(xiàn)低溫性能。這是一種以硫?yàn)榛A(chǔ)的陰極，其材料成本低，儲(chǔ)量豐富，對(duì)環(huán)境無(wú)害，不使用昂貴的過(guò)渡金屬。

“這項(xiàng)工作的意義是雙重的，”劉說(shuō)，他的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了這種陰極，并在DEE中優(yōu)化了這種陰極在正常條件下的循環(huán)性能。從科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，它提出了與傳統(tǒng)觀點(diǎn)相反的見(jiàn)解。從技術(shù)上講，這是第一種可充電的鋰金屬電池，它可以在-60攝氏度完全運(yùn)行的情況下提供有意義的能量密度。這兩個(gè)方面為超低溫電池提供了一個(gè)完整的解決方案。”