斯坦福大学的科学家发明了一种新的锂电解质，这可能为下一代电池驱动的电动汽车铺平道路。
左边是传统的(透明的)电解质，右边是新颖的斯坦福电解质。(图片来源:Zhiao Yu)
在6月22日发表在《自然能源》(Nature Energy)杂志上的一项研究中，斯坦福大学(Stanford)的研究人员展示了他们的新型电解液设计是如何提高锂金属电池的性能的。
“大多数电动汽车使用锂离子电池，其能量密度正迅速接近理论极限，”该研究的合著者崔毅说，他是SLAC国家加速器实验室的材料科学与工程和光子科学教授。“我们的研究集中在锂金属电池上，它比锂离子电池更轻，并且在单位重量和体积上可以提供更多的能量。”
锂离子和锂金属
从智能手机到电动汽车，锂离子电池都有两个电极——一个带正电荷的阴极含有锂，一个带负电荷的阳极通常由石墨制成。当电池使用和充电时，电解质溶液允许锂离子在正极和负极之间来回穿梭。
博士生和主要作者王汉森(左)和余志傲(右)正在实验室中测试一个实验细胞。(图片来源:王红霞)
一个锂金属电池每千克可以容纳大约两倍于传统锂离子电池的电量。金属锂电池通过用金属锂代替石墨阳极来实现这一点，这样可以存储更多的能量。
“锂金属电池在电动汽车上很有前途，因为重量和体积是一个大问题，”研究合著者鲍哲南(音译)说，他是工程学院的李k.k.教授。但在运行过程中，锂金属阳极与液体电解质发生反应。这将导致阳极表面的锂微结构树突的生长，这将导致电池起火和故障。”
研究人员花了几十年的时间试图解决树突问题。
“电解液就像金属锂电池的阿齐兹6037后跟，”该论文的共同第一作者余志傲(音译)说，他是一名化学专业的研究生。“在我们的研究中，我们使用有机化学来合理设计和创造新的、稳定的电池电解质。”
新电解液
在这项研究中，Yu和他的同事们探讨了他们是否可以用一种普通的、商业上可获得的液体电解质来解决稳定性问题。
“我们假设在电解质分子中加入氟原子会使液体更稳定，”Yu说。“氟是锂电池的电解质中广泛使用的元素。我们利用它吸引电子的能力创造了一种新分子，使锂金属阳极在电解质中发挥良好的功能。”
结果是一种新的合成化合物，缩写FDMB，可以很容易批量生产。
“电解液的设计变得非常奇特，”鲍说。“有些已经显示出良好的前景，但生产成本非常昂贵。Zhiao发明的FDMB分子很容易大批量生产，而且非常便宜。”
“令人难以置信的表现”
斯坦福大学的研究小组在锂金属电池中测试了这种新型电解质。
结果是戏剧性的。经过420次的充放电，实验电池保持了90%的初始电量。在实验室中，典型的锂金属电池在大约30次循环后停止工作。
研究人员还测量了锂离子在充电和放电过程中在正极和负极之间转移的效率，这一特性被称为“库仑效率”。
“如果你给1000个锂离子充电，放电后你能恢复多少?””崔说。“理想情况下，你想要千分之一的库伦效率达到100%。要想在商业上可行，电池的库仑效率至少需要达到99.9%。在我们的研究中，我们在一半细胞中得到了99.52%在完整细胞中得到了99.98%;令人难以置信的表现。”
Anode-free电池
在消费类电子产品的潜在应用方面，斯坦福大学的研究小组还测试了FDMB电解质在无阳极锂金属袋电池中的应用。
“我们的想法是只使用阴极一侧的锂来减轻重量，”该研究的共同第一作者汉森·王(Hansen Wang)说，他是材料科学与工程专业的研究生。“这种无阳极电池在容量下降到80%之前可以运行100次循环，虽然不如相当于500到1000次循环的锂离子电池，但仍然是性能最好的无阳极电池之一。”
“这些结果显示了广泛设备的前景，”鲍补充道。“轻型、无阳极电池将成为无人机和许多其他消费电子产品的一个吸引人的特性。”
Battery500
美国能源部(DOE)正在资助一个名为Battery500的大型研究财团，以使锂金属电池成为可能，这将允许汽车制造商制造更轻的电动汽车，在充电之间可以行驶更长的距离。这项研究的部分资助来自联盟，其中包括斯坦福大学和斯坦福研究中心。
通过改进阳极、电解质和其他组件，battery y500的目标是将锂金属电池的发电量提高近两倍，从2016年该项目启动时的每公斤180瓦时提高到每公斤500瓦时。更高的能量重量比，或“特定能量”，是解决潜在电动汽车买家经常存在的里程焦虑的关键。
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“我们实验室的无阳极电池达到了每公斤比能325瓦时，一个相当可观的数字，”崔说。“我们的下一步可能是与Battery500的其他研究人员合作，构建接近联盟目标每公斤500瓦特时的电池。”
除了更长的循环寿命和更好的稳定性，FDMB电解质也远比传统电解质不易燃，正如研究人员在嵌入的视频中演示的那样。
鲍补充说:“我们的研究基本上提供了一个设计原则，人们可以应用它来设计出更好的电解质。”“我们只是展示了一个例子，但还有很多其他的可能性。”
其他合著者包括化学工程助理教授秦建;博士后学者孔贤、王克诚、黄文肖、Snehashis Choudhury、Chibueze Amanchukwu;研究生黄志伟、曹余志、麦金丹、郑宇及洪淑丽;以及本科生马玉婷和埃德·洛梅利。厦门大学的王新昌(音译)也是作者之一。鲍哲南和崔毅是斯坦福大学Precourt能源研究所的高级研究员。崔也是斯坦福材料研究所的首席研究员。能源科学，斯坦福大学和斯坦福大学的联合研究项目。
这项工作也得到了美国能源部汽车技术办公室电池材料研究计划的支持。斯坦福大学使用的设备是由国家科学基金会支持的。
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新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2020/06/22/new-electrolyte-design-may-lead-better-batteries-electric-vehicles/