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;主要是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。
研究人员将他们的研究成果发表在2月25日的《自然能源》杂志上。
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。研究人员说，这样的表现是前所未有的。
其他用于低温下使用的锂电池可以在低温下放电，但充电时需要加热。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。另一方面，新电池，可在超低温下充放电。
这项工作是由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授刘平、陈铮和托德·帕斯卡共同完成的，他们提出了一种在超低温下提高锂金属电池性能的新方法。到目前为止，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，加州大学圣地亚哥分校的研究人员发现，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。
“我们发现,锂离子和电解质之间的绑定和结构,离子的电解质,意味着生死这些电池在低温下,”第一作者约翰Holoubek说,加州大学圣地亚哥分校的纳米工程博士生雅各布斯工程学院。
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细胞在两个周期后就停止工作了。
在细胞循环后，研究人员将它们分开，比较阳极上的锂金属沉积。分歧也很明显。电解质结合较弱的细胞沉积光滑均匀，而电解质结合较强的细胞沉积块状针状。
细节问题
研究人员说，电池性能的差异都可以归结为纳米级的相互作用。“锂离子如何在原子水平上与电解质相互作用，不仅能够在非常、非常低的温度下持续循环，而且还可以防止枝晶的形成，”陈说。
为了理解其中的原因，研究小组利用计算模拟和光谱分析详细研究了这些相互作用。在一种被称为乙醚(DEE)的电解质中，研究人员观察到由锂离子组成的分子结构与周围的电解质分子弱结合。在另一种被称为DOL/DME的电解质中，研究人员观察到离子和电解质分子之间的强结合结构。
研究人员说，这些结构和结合强度非常重要，因为它们最终决定了锂在低温下如何沉积在阳极表面。Holoubek解释说，在像DEE电解质中观察到的那种弱束缚结构中，锂离子可以很容易地离开电解质，所以不需要太多能量就能让它们沉积在阳极表面的任何地方。这就是沉积物在DEE中平滑均匀的原因。但是在强束缚结构中，比如DOL/DME，需要更多的能量才能将锂离子从电解质中拉出来。因此，锂会倾向于沉积在阳极表面有极强电场的地方——任何有尖端的地方。锂会继续堆积在尖端直到电池短路。这就是为什么DOL/DME中的沉积物呈块状和树枝状。
“找出锂形成的不同类型的分子和原子结构，以及锂如何与特定的原子协调——这些细节很重要，”Pascal说，他指导了这项计算研究。“通过从根本上理解这些系统是如何结合在一起的，我们可以为下一代能源存储系统提出各种新的设计原则。这项工作展示了纳米工程的力量，通过弄清楚小尺度上发生了什么，可以在大尺度上设计设备。”
兼容的阴极
这些基本的见解使该团队能够设计出与电解质和阳极兼容的阴极，以实现低温性能。这是一种以硫为基础的阴极，其材料成本低，储量丰富，对环境无害，不使用昂贵的过渡金属。
“这项工作的意义是双重的，”刘说，他的实验室设计了这种阴极，并在DEE中优化了这种阴极在正常条件下的循环性能。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，这是第一种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提供有意义的能量密度。这两个方面为超低温电池提供了一个完整的解决方案。”
