新型高密度鋰電池將解決電動汽車續航里程焦慮問題

從電動汽車到智能手機再到筆記本電腦，如今的鋰離子電池在維持現代世界運轉方面做得非常出色，但科學家們認為，通過對其結構的微調還可以釋放出很多潛力。更有希望的可能性之一是用純鋰金屬替換電池電極中的石墨，這種材料可以容納10倍的能量。

因此，金屬鋰被一些電池研究人員譽為“夢想材料”，很可能幫助我們突破能量存儲的關鍵瓶頸，但穩定性問題迄今一直困擾著這項技術。這在很大程度上跟攜帶鋰離子的電解質溶液和電池的兩個電極之間的不良反應有關。

在眾多致力于解決這一問題的研究團隊中，有一個來自卡爾斯魯厄理工學院和烏爾姆亥姆霍茲學院的團隊，他們提出的設計在很大程度上回避了這一問題。研究人員從一種被稱為貧鈷富鎳層狀陰極(NCM88)和一種商業可用的有機電解質LP30開始。當陰極達到高能量密度時，不穩定性很快就出現了，并且隨著電池的循環，存儲容量下降。

“在電解液LP30中，粒子會在陰極上裂開，”HIU主任Stefano Passerini教授說道，“在這些裂縫中，電解液會發生反應、破壞結構。此外，陽極上還會形成一層厚厚的苔蘚狀鋰層。”

因此，該團隊將LP30電解質換成了另一種電解質，這種電解質極大地提高了性能。被描述為一種不揮發、極易燃的雙陰離子離子液體電解質(ILE)，這種成分被證明在很大程度上避免了陰極上的結構缺陷并能讓電池免于致命的電化學反應。

Guk-Tae Kim博士指出：“在ILE的幫助下，富鎳陰極上的結構修飾可以被顯著減少。”

據了解，這種結構的鋰金屬電池的能量密度為560 Wh/kg。為了給下一代電動汽車提供動力，一些研究聯盟致力于突破500 Wh/kg的能量密度門檻，而目前最好的鋰離子電池的能量密度為250至300 Wh/kg。

今年早些時候，曾經有一款鋰金屬電池創造了紀錄，其能量密度為350 Wh/kg，在600次循環后仍能保持76%的容量。在壽命方面，新鋰金屬電池設計也表現得非常出色，其在陰極材料中初始存儲容量有214 mAh/g，在1000次循環中保持88%的容量。

新型鋰金屬電池被證明非常有能力的另一個領域是它的庫侖效率，這涉及鋰離子在陽極和陰極之間轉移的效率。為100個鋰離子充電，放電后再回收100個鋰離子，其庫侖效率將達到100%，而商用電池至少需要99.9%的效率才可行。這種新型鋰金屬電池的發明者稱其平均庫侖效率可以達到99.94%。

要將這些在實驗室規模的電池上有希望的結果轉化為現實世界顯然還有很多工作要做，但一種提供如此高能量密度的穩定電池可能會改變電力運輸的游戲規則。比如電動飛機受到當今電池能量密度的嚴重限制，因此只能飛行相對較短的距離。電動汽車的續航里程有限可以通過擴大充電基礎設施來解決，但這種電池的高能量重量比可以讓它們行駛很遠的距離并在很大程度上緩解潛在買家的續航里程焦慮。