斯坦福大学科学家发明的一种新的锂基电解液可以为下一代电池供电的电动汽车铺平道路。
在六月二十二日发表于《自然能源》上的一项研究中，斯坦福大学的研究人员展示了他们新颖的电解质设计如何提高锂金属电池的性能，这是一种为电动汽车，笔记本电脑和其他设备供电的有前途的技术。
该研究的合著者，SLAC国家加速器实验室的材料科学与工程学教授和光子科学教授YiCui表示：“大多数电动汽车都使用锂离子电池运行，而锂离子电池正在迅速接近其能量密度的理论极限。”“我们的研究重点是锂金属电池，它比锂离子电池更轻，并且每单位重量和体积都可以供应更多的能量。”
从智能手机到电动汽车，锂离子电池都有两个电极-一个带锂的带正电的阴极和一个通常由石墨制成的带负电的阳极。当使用电池并对其进行充电时，电解质溶液可使锂离子在阳极和阴极之间来回穿梭。
锂金属电池每千克可容纳的电量是当今常规锂离子电池的两倍。锂金属电池通过用锂金属代替石墨阳极来做到这一点，锂金属可以存储更多的能量。
该研究的合著者之一，KK学院工程学教授李振安说：“锂金属电池有关电动汽车非常有前途，因为电动汽车的重量和体积是一个大问题。”“但是在运行过程中，锂金属阳极会与液体电解质发生反应。这会导致锂微结构在阳极表面上生长，称为树枝状晶体，这可能导致电池着火并发生故障。”
研究人员花了数十年的时间来尝试解决枝晶问题。
化学著作的共同重要作者余志高说：“电解质一直是锂金属电池的致命弱点。”“在我们的研究中，我们使用有机化学方法来合理设计和制造用于这些电池的新型，稳定的电解质。”
在这项研究中，Yu和他的同事们探索了他们是否可以使用常见的市售液体电解质解决稳定性问题。
于说：“我们假设在电解质分子上添加氟原子会使液体更稳定。”“氟是锂离子电池电解质中广泛使用的元素。我们利用其吸引电子的能力来创建一个新分子，使锂金属阳极在电解质中发挥良好的用途。”
结果是一种易于合成的新型合成化合物，缩写为FDMB。
鲍说：“电解质的设计正变得非常具有异国情调。”“有些显示出良好的前景，但生产成本非常高。Zhiao提出的FDMB分子易于大量制造且价格便宜。”
斯坦福大学研究小组测试了锂金属电池中的新电解质。
结果是惊人的。在420次充放电循环后，实验电池保留了其初始电量的90%。在实验室中，典型的锂金属电池会在大约30个循环后停止工作。
研究人员还测量了锂离子在充电和放电过程中在阳极和阴极之间传输的效率，这种特性称为“库仑效率”。
“假如您充电1,000个锂离子，那么放电后又能回收多少个锂离子?”崔说。“理想情况下，您要在1,000的千分之一中实现100%的库仑效率。要在商业上可行，单电池的库仑效率至少应为99.9%。在我们的研究中，半电池的99.52%，电池的99.98%。充满细胞;令人难以置信的表现。”
为了潜在地用于消费电子产品，斯坦福大学的研究小组还测试了无阳极锂金属袋式电池中的FDMB电解质，这是市售的带有阴极的电池，阴极可为阳极供应锂。
材料科学与工程专业的研究生合著者汉森·王(HansenWang)说：“这种想法是仅在阴极侧使用锂来减轻重量。”“无阳极电池在容量下降到80%之前运行了100个循环-不及同等的锂离子电池，后者可以持续500到1,000个循环，但仍然是性能最好的无阳极电池之一。”
Bao补充说：“这些结果表明了广泛的设备前景。”“轻巧，无阳极的电池将成为无人机和许多其他消费电子产品的诱人特性。”
美国能源部(DOE)正在资助一个名为Battery500的大型研究联盟，以使锂金属电池可行，这将使汽车制造商可以制造出重量更轻的电动汽车，从而使充电之间的距离更长。这项研究得到了包括斯坦福大学和SLAC在内的财团的部分资助。
通过改进阳极，电解质和其他组件，Battery500的目标是使锂金属电池可供应的电量几乎新增三倍，从该计划于2016年开始时的每千克约180瓦时到每千克500瓦时。更高的能量重量比或“比能量”是解决潜在的电动汽车购买者经常遇到的里程焦虑的关键。
崔说：“我们实验室的无阳极电池每千克比能达到约325瓦时，这是一个可观的数字。”“我们的下一步可能是与Battery500中的其他研究人员合作，制造接近该财团500千瓦时/千克目标的电池。”
除了更长的循环寿命和更好的稳定性外，FDMB电解质的可燃性也远低于传统电解质。
“我们的研究基本上供应了一种设计原则，人们可以应用它来设计更好的电解质，”Bao补充说。“我们只是展示了一个例子，但还有许多其他可能性。”
