在更换石墨阳极以获得更好的可充电电池的竞赛中的新变化

对2017年液化气电解质首次引入的一类电池电解质的改进 - 可以为可充电电池的高影响和长期寻求的进步铺平道路：用锂金属阳极代替石墨阳极。

这项由Joule杂志于2019年7月1日出版的研究基于加利福尼亚大学圣地亚哥分校的同一研究小组和南方8科技大学分别于2017年首次报道的科学创新。

寻找在商用锂离子电池中更换石墨阳极的经济有效的方法是非常令人感兴趣的，因为它可以通过在电池水平上增加50%的能量密度来产生能够存储更多电荷的更轻的电池。增加的能量密度将来自多种因素的组合，包括锂金属阳极的高比容量，低电化学势和低重量(低密度)。

因此，切换到锂金属阳极将大大扩展电动汽车的范围，并降低用于电网存储的电池成本，UC圣地亚哥纳米工程教授Shirley Meng解释说，他是Joule新论文的通讯作者。

然而，切换带来了技术挑战。主要障碍是锂金属阳极与传统电解质不兼容。当这些阳极与常规电解质配对时出现两个长期存在的问题：低循环效率和枝晶生长。

所以孟和他的同事的方法是改用更加兼容的电解质，称为液化气电解质。

液化气体电解质在起作用

这些液化气体电解质的诱人之处在于它们在室温和极低温度下都能发挥作用，温度低至零下60摄氏度。这些电解质由液化气体溶剂制成 - 在中等压力下液化的气体 - 远在比标准液体电解质更耐冷冻。

图片来源：加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院

在2019年的Joule论文中，研究人员报告了如何通过实验和计算研究，提高他们对液化气体电解质化学的一些缺点的理解。凭借这些知识，他们能够定制他们的液化气体电解质，以改善锂金属阳极的关键指标，包括室温和零下60摄氏度。

在锂金属半电池测试中，该团队报告说，在室温下500次充电循环时，阳极的循环效率(库仑效率)为99.6%。这与2017年科学论文报告的97.5%的循环效率和传统(液体)电解质的锂金属阳极的85%循环效率有关。

在零下60摄氏度，该团队证明锂金属阳极循环效率为98.4%。相反，大多数常规电解质在低于-20℃时不能工作。

UC San Diego团队的模拟和表征工具，许多由Shirley Meng领导的储能和转换实验室开发，使研究人员能够解释为什么锂金属阳极在液化气体电解质方面表现更好。至少部分答案与锂颗粒如何沉积在金属阳极表面上有关。

研究人员报告说，当使用液化气体电解质时，锂颗粒在锂金属阳极上的平滑和紧凑沉积。相反，当使用常规电解质时，在锂金属阳极上形成针状树枝状晶体。这些枝晶会降低效率，导致短路，并导致严重的安全威胁。

锂颗粒在阳极表面上沉积的密度的一个量度是孔隙率。孔隙率越低越好。研究小组在焦耳报道，在室温下使用液化气体电解质在室温下，锂金属阳极上的锂颗粒沉积孔隙率为0.90%。常规电解质存在下的孔隙率跃升至16.8%。

争夺正确的电解质

目前寻求或改进与锂金属阳极相容的电解质并且在成本，安全性和温度范围方面具有竞争力。研究小组主要研究高浓度溶剂(液体)或固态电解质，但目前还没有银弹。

“作为电池研究界的一部分，我相信我们将开发锂金属阳极所需的电解质。我希望这项研究能够激励更多的研究小组认真研究液化气体电解质，”猛。

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