對(duì)2017年液化氣電解質(zhì)首次引入的一類電池電解質(zhì)的改進(jìn) - 可以為可充電電池的高影響和長(zhǎng)期尋求的進(jìn)步鋪平道路：用鋰金屬陽(yáng)極代替石墨陽(yáng)極。

這項(xiàng)由Joule雜志于2019年7月1日出版的研究基于加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的同一研究小組和南方8科技大學(xué)分別于2017年首次報(bào)道的科學(xué) 創(chuàng)新。

尋找在商用鋰離子電池中更換石墨陽(yáng)極的經(jīng)濟(jì)有效的方法是非常令人感興趣的，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)在電池水平上增加50%的能量密度來(lái)產(chǎn)生能夠存儲(chǔ)更多電荷的更輕的電池。增加的能量密度將來(lái)自多種因素的組合，包括鋰金屬陽(yáng)極的高比容量，低電化學(xué)勢(shì)和低重量(低密度)。

因此，切換到鋰金屬陽(yáng)極將大大擴(kuò)展電動(dòng)汽車的范圍，并降低用于電網(wǎng)存儲(chǔ)的電池成本，UC圣地亞哥納米工程教授Shirley Meng解釋說(shuō)，他是Joule新論文的通訊作者。

然而，切換帶來(lái)了技術(shù)挑戰(zhàn)。主要障礙是鋰金屬陽(yáng)極與傳統(tǒng)電解質(zhì)不兼容。當(dāng)這些陽(yáng)極與常規(guī)電解質(zhì)配對(duì)時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題：低循環(huán)效率和枝晶生長(zhǎng)。

所以孟和他的同事的方法是改用更加兼容的電解質(zhì)，稱為液化氣電解質(zhì)。

液化氣體電解質(zhì)在起作用

這些液化氣體電解質(zhì)的誘人之處在于它們?cè)谑覝睾蜆O低溫度下都能發(fā)揮作用，溫度低至零下60攝氏度。這些電解質(zhì)由液化氣體溶劑制成 - 在中等壓力下液化的氣體 - 遠(yuǎn)在比標(biāo)準(zhǔn)液體電解質(zhì)更耐冷凍。

圖片來(lái)源：加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院

在2019年的Joule論文中，研究人員報(bào)告了如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究，提高他們對(duì)液化氣體電解質(zhì)化學(xué)的一些缺點(diǎn)的理解。憑借這些知識(shí)，他們能夠定制他們的液化氣體電解質(zhì)，以改善鋰金屬陽(yáng)極的關(guān)鍵指標(biāo)，包括室溫和零下60攝氏度。

在鋰金屬半電池測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，在室溫下500次充電循環(huán)時(shí)，陽(yáng)極的循環(huán)效率(庫(kù)侖效率)為99.6%。這與2017年科學(xué)論文報(bào)告的97.5%的循環(huán)效率和傳統(tǒng)(液體)電解質(zhì)的鋰金屬陽(yáng)極的85%循環(huán)效率有關(guān)。

在零下60攝氏度，該團(tuán)隊(duì)證明鋰金屬陽(yáng)極循環(huán)效率為98.4%。相反，大多數(shù)常規(guī)電解質(zhì)在低于-20℃時(shí)不能工作。

UC San Diego團(tuán)隊(duì)的模擬和表征工具，許多由Shirley Meng領(lǐng)導(dǎo)的儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，使研究人員能夠解釋為什么鋰金屬陽(yáng)極在液化氣體電解質(zhì)方面表現(xiàn)更好。至少部分答案與鋰顆粒如何沉積在金屬陽(yáng)極表面上有關(guān)。

研究人員報(bào)告說(shuō)，當(dāng)使用液化氣體電解質(zhì)時(shí)，鋰顆粒在鋰金屬陽(yáng)極上的平滑和緊湊沉積。相反，當(dāng)使用常規(guī)電解質(zhì)時(shí)，在鋰金屬陽(yáng)極上形成針狀樹(shù)枝狀晶體。這些枝晶會(huì)降低效率，導(dǎo)致短路，并導(dǎo)致嚴(yán)重的安全威脅。

鋰顆粒在陽(yáng)極表面上沉積的密度的一個(gè)量度是孔隙率?？紫堵试降驮胶?。研究小組在焦耳報(bào)道，在室溫下使用液化氣體電解質(zhì)在室溫下，鋰金屬陽(yáng)極上的鋰顆粒沉積孔隙率為0.90%。常規(guī)電解質(zhì)存在下的孔隙率躍升至16.8%。

爭(zhēng)奪正確的電解質(zhì)

目前尋求或改進(jìn)與鋰金屬陽(yáng)極相容的電解質(zhì)并且在成本，安全性和溫度范圍方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。研究小組主要研究高濃度溶劑(液體)或固態(tài)電解質(zhì)，但目前還沒(méi)有銀彈。

“作為電池研究界的一部分，我相信我們將開(kāi)發(fā)鋰金屬陽(yáng)極所需的電解質(zhì)。我希望這項(xiàng)研究能夠激勵(lì)更多的研究小組認(rèn)真研究液化氣體電解質(zhì)，”猛。