中国研究人员开发介电协议 可提高锂金属软包电池的能量密度

盖世汽车讯 电极和电解质之间的界面在很大程度上提高了电池转换能量的效率。近年来，为了开发性能更好的电池，很多研究重点专注定制电极/电解质界面，以提高充电电池（rechargeable batteries）的能量密度，特别是锂金属电池（LMB）。

（图片来源：自然能源）

作为一种富有前景的电池解决方案，LMB采用锂金属阳极，而不是锂离子电池（LiB）中常用的石墨基阳极。与LiB相比，这些电池的能密度更高，充电速度更快。然而，许多LMB往往存在严重的局限性，例如充电过程中的锂枝晶生长。锂枝晶是一种树状锂金属基结构，在电池充电时可能形成于阳极表面，从而增加过热和潜在起火风险，同时降低电池性能。

克服这一LMB关键问题的解决方案包括调整Li+溶剂化结构和设计新的电解质，以促进形成固体电解质界面（SEI）并稳定该电极/电解质界面。许多研究都专注于这些目标，但很少探讨电池中的介电环境如何有助于稳定/不稳定该界面。

据外媒报道，最近，中国浙江大学等机构的研究人员对这一问题进行了研究。相关论文发表在期刊《自然能源（Nature Energy）》上，其中概述了一种介电协议，可能有助于解决与LMB相关的一些问题，从而提高电池的安全性和可靠性。

该论文合著者范修林表示：“随着电动汽车和储能市场不断发展，人们对LiB的需求将持续增长。然而，为了实现低碳或无碳经济，我们需要性能优于当前锂离子电池的电池。这就需要一种能量密度高于500 Wh/kg的储能技术，以延长电池单次充电为电子设备供电的时间（与LiB相比）。因此，用金属电极代替石墨电极的锂金属电池（LMB）受到关注，但这些电池在实验室和工业环境中都面临着过早衰退的问题。我们的主要目标是开发持久耐用、能量密度高的LMB。”

这项研究中开发的LMB设计方法考虑到界面电场（可通过电池的电介质进行调节）对电极/电解质界面的影响。通过调节电池中使用的电介质，该协议可以确保阳离子-阴离子配位的完整性，使富含阴离子的电解质暴露于界面电场中，从而形成SEI。

范修林表示：“该介电协议要求将阳离子-阴离子对（cation-anion pairs）置于具有高介电常数的非溶剂化溶剂中，以免阳离子-阴离子对被电场分离。这会在电极-电解质界面附近形成富含阴离子的区域。这种界面结构可以优先考虑界面处的阴离子分解，从而为锂金属软包电池中的锂沉积提供强大的界面化学。”

其他研究人员表示：“在带电界面处，阳离子-阴离子对以周期性振荡分布排列。低振幅会加剧电解质分解，并增加表面阻抗。我们提出了一种介电协议，可在界面处保持具有高振幅的阳离子-阴离子配位，从而解决这些问题。”

该团队利用新提出的协议实现超薄电解质（1 g Ah−1），并在锂金属软包电池中进行了测试。结果表明，所制成软包电池的能量密度高达500 Wh kg−1。范修林表示：“这项工作揭示了阴离子和阳离子在带电电极-电解质界面上的空间分布。这使研究人员可以通过定制电解质成分来调节界面特性，从而提高电池性能。”

不久的将来，其他研究团队可能受益于这种介导方法，从而为LMB制备其他富有前景的电解质，以开发更可靠的高密度电池解决方案。范修林表示：“锂金属电池具有高能量密度，可能引起严重的起火和爆炸风险。我们未来的工作将致力于提高锂金属电池在现实条件下的循环稳定性，以实现兼具高能量密度和安全性的储能技术。”