為了探索更具應(yīng)用前景的鋰電池，許多研究團隊已將目光放到了基于純鋰的金屬陽極方案，而不是當(dāng)前普遍采用的混合材料。同時為了攻克在低溫下性能不佳的缺點，該領(lǐng)域的科學(xué)家們也已經(jīng)取得了一些突破。比如加州大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）的研究團隊，就依靠電解質(zhì)中的弱鍵，釋放了鋰金屬電池在寒冷條件下的空前性能。


鋰離子和電解質(zhì)分子之間結(jié)合的模擬結(jié)構(gòu)（來自：UCSD）

鋰金屬電池之所以被寄予厚望，是因為與當(dāng)前普通的石墨 / 銅混合材料相比，純鋰金屬陽極具有出色的能量密度。

在巨大的差異面前，研究人員將之描述為一種“夢想材料”，并且期望成為未來打破能量密度瓶頸的一個關(guān)鍵。

作為在循環(huán)過程中于電池兩極間來回攜帶鋰離子的溶液，電解質(zhì)在一塊電池中的重要性也是不言而喻。

通常情況下，低溫電池需要額外的加熱系統(tǒng)。不過加州大學(xué)圣迭戈（UCSD）研究團隊正在開發(fā)的這種鋰金屬電池，卻有望在極端低溫下進行高效的充放電。

據(jù)悉，其目的是開發(fā)出一種不會凍結(jié)的電解液，并且能夠在低溫下保持鋰離子在電極之間的流動性。

目前研究團隊正在嘗試兩種類型的電解質(zhì)，其中一種可與離子牢固結(jié)合、另一種則要弱得多，進而驗證哪種情況更適用于低溫工況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在 -60℃（-76℉）環(huán)境下，采用牢固結(jié)合電解質(zhì)的這組實驗電池僅能堅持兩個循環(huán)，而后就停止了工作。

作為對比，采用弱結(jié)合電解質(zhì)方案的電池，可在經(jīng)歷 50 次充放電循環(huán)后，依然保持平穩(wěn)的運行，且能夠保留 76% 的原始容量。

如果將工作溫度改成 -40℃（-40℉），弱結(jié)合電解質(zhì)方案的電池組更能保留初始容量的 84% 。

論文一作 John Holoubek 表示：“我們發(fā)現(xiàn)鋰離子與電解質(zhì)之間的結(jié)合、以及離子在電解質(zhì)中所占據(jù)的結(jié)構(gòu)，與它們在低溫下的表現(xiàn)有極大的關(guān)聯(lián)”。

針對此類概念驗證電池的進一步研究表明，弱結(jié)合電解質(zhì)能夠讓離子更均勻地沉積在電池陽極上，而強結(jié)合電解質(zhì)則會導(dǎo)致塊狀和針狀的沉積（枝晶）。

枝晶是改善鋰電池性能的另一個重要公關(guān)方向，因其可能導(dǎo)致電池發(fā)生短路失效等嚴(yán)重故障。

研究合著者 Zheng Chen 表示：“通過在原子層面了解鋰離子和電解質(zhì)的相互作用，不僅可以提升鋰電池的低溫表現(xiàn)，還有助于防止枝晶的形成”。

展望未來，這種類型的設(shè)備有望在外層空間和深海勘探等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。有關(guān)這項研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《自然能源》（Nature Energy）期刊上。

原標(biāo)題為《Tailoring electrolyte solvation for Li metal batteries cycled at ultra-low temperature》。