科學家利用弱電解質鍵讓鋰金屬電池在低溫下更好地運行

為了探索更具應用前景的鋰電池,許多研究團隊已將目光放到了基於純鋰的金屬陽極方案,而不是當前普遍採用的混合材料。同時為了攻克在低溫下性能不佳的缺點,該領域的科學家們也已經取得了一些突破。比如加州大學聖迭戈分校(UCSD)的研究團隊,就依靠電解質中的弱鍵,釋放了鋰金屬電池在寒冷條件下的空前性能。

科學家利用弱電解質鍵讓鋰金屬電池在低溫下更好地運行

鋰離子和電解質分子之間結合的模擬結構(來自:UCSD

鋰金屬電池之所以被寄予厚望,是因為與當前普通的石墨 / 銅混合材料相比,純鋰金屬陽極具有出色的能量密度。

在巨大的差異面前,研究人員將之描述為一種「夢想材料」,並且期望成為未來打破能量密度瓶頸的一個關鍵。

作為在循環過程中於電池兩極間來回攜帶鋰離子的溶液,電解質在一塊電池中的重要性也是不言而喻。

通常情況下,低溫電池需要額外的加熱系統。不過加州大學聖迭戈(UCSD)研究團隊正在開發的這種鋰金屬電池,卻有望在極端低溫下進行高效的充放電。

據悉,其目的是開發出一種不會凍結的電解液,並且能夠在低溫下保持鋰離子在電極之間的流動性。

目前研究團隊正在嘗試兩種類型的電解質,其中一種可與離子牢固結合、另一種則要弱得多,進而驗證哪種情況更適用於低溫工況。

結果發現,在 -60℃(-76℉)環境下,採用牢固結合電解質的這組實驗電池僅能堅持兩個循環,而後就停止了工作。

作為對比,採用弱結合電解質方案的電池,可在經歷 50 次充放電循環後,依然保持平穩的運行,且能夠保留 76% 的原始容量。

如果將工作溫度改成 -40℃(-40℉),弱結合電解質方案的電池組更能保留初始容量的 84% 。

論文一作 John Holoubek 表示:「我們發現鋰離子與電解質之間的結合、以及離子在電解質中所占據的結構,與它們在低溫下的表現有極大的關聯」。

針對此類概念驗證電池的進一步研究表明,弱結合電解質能夠讓離子更均勻地沉積在電池陽極上,而強結合電解質則會導致塊狀和針狀的沉積(枝晶)。

枝晶是改善鋰電池性能的另一個重要公關方向,因其可能導致電池發生短路失效等嚴重故障。

研究合著者 Zheng Chen 表示:「通過在原子層面了解鋰離子和電解質的相互作用,不僅可以提升鋰電池的低溫表現,還有助於防止枝晶的形成」。

展望未來,這種類型的設備有望在外層空間和深海勘探等領域發揮重要的作用。有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《自然能源》(Nature Energy)期刊上。

原標題為《Tailoring electrolyte solvation for Li metal batteries cycled at ultra-low temperature》。

來源:cnBeta