德国multipower蓄电池-研究人员为锂金属电池设计下一代电解质

研究结果有可能大大提高锂电池的能量密度

概括：

一组研究人员发现了一种稳定锂金属电池中锂金属电极和电解质的新机制。这种不依赖于传统动力学方法的新机制有可能大大提高电池的能量密度。

    

 

 

一组研究人员发现了一种稳定锂金属电池中锂金属电极和电解质的新机制。这种不依赖于传统动力学方法的新机制有可能大大提高电池的能量密度——即相对于重量或体积存储的能量。

该团队将他们的发现发表在《自然能源》杂志上。

锂金属电池是一种很有前途的技术，有望满足高能量密度存储系统的需求。然而，由于这些电池中电解液不断分解，它们的库仑效率很低。库仑效率，也称为电流效率，描述了电子在电池中传输的效率。因此，具有高库仑效率的电池具有更长的电池循环寿命。

“这是第一篇提出电极电位和相关结构特征作为设计锂金属电池电解质的指标的论文，这些指标是通过引入数据科学与计算计算相结合来提取的。根据我们的研究结果，几种能够实现高库仑效率的电解质，很容易开发，”东京大学化学系统工程系教授 Atsuo Yamada 说。该团队的工作有可能为锂金属电池的下一代电解质设计提供新的机会。

在锂离子电池中，锂离子在充电时通过电解液从正极移动到负极，在放电时又返回。通过引入高能量密度电极，可以提高电池的能量密度。在此背景下，过去几十年已经进行了许多研究以将石墨负极改为锂金属。然而，锂金属具有高反应性，这会减少其表面的电解质。因此，锂金属电极表现出较差的库仑效率。

为了克服这个问题，科学家们开发了形成表面保护膜的功能性电解质和电解质添加剂。这种固体电解质界面对锂电池的安全性和效率有影响。表面保护膜防止电解质和锂金属电极直接接触，从而在动力学上减缓电解质的还原。然而，直到现在，科学家们还没有完全理解固体电解质界面与库仑效率之间的相关性。

科学家们知道，如果它们提高了固体电解质界面的稳定性，那么它们可以减缓电解质的分解，提高电池的库仑效率。但即使拥有先进的技术，科学家们也很难直接分析固体电解质的界面化学。大多数关于固体电解质界面的研究都是用间接方法进行的。这些研究提供了间接证据，因此很难开发出稳定锂金属的电解质，从而导致高库仑效率。

研究小组确定，如果他们能够提高锂金属在特定电解质体系中的氧化还原电位，就可以降低降低电解质的热力学驱动力，从而实现更高的库仑效率。这种策略很少用于开发锂金属电池。“锂金属的热力学氧化还原电位随电解质的不同而显着变化，是影响锂金属电池性能的一个简单但被忽视的因素，” Atsuo Yamada 说。

该团队研究了 74 种电解质中锂金属的氧化还原电位。研究人员将一种称为二茂铁的化合物作为 IUPAC（国际纯粹与应用化学联盟）推荐的电极电位内部标准引入所有电解质中。该团队证明了锂金属的氧化还原电位与库仑效率之间存在相关性。他们通过提高锂金属的氧化还原电位获得了高库仑效率。

展望未来的工作，研究团队的目标是更详细地揭示氧化还原电位转变背后的合理机制。“我们将设计保证库仑效率大于 99.95% 的电解质。即使使用先进的电解质，锂金属的库仑效率也低于 99%。但是，锂金属电池的商业化至少需要 99.95% ”山田敦夫说。

这项研究是与名古屋工业大学合作进行的。