加州大学圣迭戈分校的纳米工程师们发现了在超低温下性能良好的锂金属电池的新原理——电解质对锂离子的吸附越弱越好。通过使用这种弱结合电解质，研究人员开发出了一种可在零下60摄氏度反复充电的锂金属电池，这在该领域尚属首次。
详细研究成果发表于《自然·能源》(NatureEnergy)。
在测试中，概念验证电池在-40和-60摄氏度的50次循环中分别保留了84%和76%的容量。研究人员指出，这样的表现是前所未有的。
其他用于低温下使用的锂离子电池可以在低温下放电，但充电时要加热。这意味着必须带上额外的加热器，以便在外太空和深海探索等应用中使用这些电池。而此次的新电池可在超低温下充放电。
在超低温下提高锂金属电池性能，目前为止许多努力都集中在选择不会那么容易冻结的电解质，并能保持锂离子在电极之间快速移动。在这项研究中，研究人员发现，关键不在于电解质移动离子的速度有多快，而在于电解质释放离子并将其沉积在阳极上的容易程度。
研究人员通过比较两种电解质的电池性能得出了这些发现：一种是与锂离子结合较弱的电解质，另一种是与锂离子结合较强的电解质。具有弱结合电解质的锂金属电池在-60摄氏度下整体性能更好；在50次循环后，它仍然运行强劲。相比之下，具有强结合电解质的电池在两个周期后就停止工作了。
在电池循环后，研究人员将它们分开，比较阳极上的锂金属沉积，发现存在明显差异：电解质结合较弱的电池沉积光滑均匀，而电解质结合较强的电池沉积呈块状针状。
这些发现使该团队能够设计出一种与电解质和阳极兼容的阴极，以实现低温性能。它是一种硫基阴极，由低成本、丰富且对环境无害的材料制成，不使用昂贵的过渡金属。
研究人员表示，“这项研究的意义是双重的。从科学的角度来说，它提出了与传统观点相反的见解。从技术上讲，这是第一款可充电的锂金属电池，它可以在-60摄氏度完全运行的情况下供应有用的能量密度。这两个方面为超低温电池供应了一个完整的解决方法。”
