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[摘要]不久前，胡文彬團隊與合作者在國際上首次提出鋰金屬電池電解液“離域化”設(shè)計理念，并研制出能量密度超過600瓦時/公斤的軟包電芯和480瓦時/公斤的模組電池，比傳統(tǒng)鋰電池的能量密度和續(xù)航能力提高了2~3倍。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。
生活中，幾乎每個人都曾因手機電量即將耗盡而焦急不已，并希望手機的電池容量如果能再大點兒該多好。
“手機電池只是可充放電池的一個小應(yīng)用。如今，隨著電動交通、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，人們對高能量、長續(xù)航可充放電池的需求日益迫切。”天津大學(xué)教授胡文彬告訴《中國科學(xué)報》，單位電池中可容納的電量多少被稱為能量密度。如何在重量更輕、體積更小的情況下，提高電池的能量密度，已成為電池領(lǐng)域需要攻克的一大技術(shù)問題。
不久前，胡文彬團隊與合作者在國際上首次提出鋰金屬電池電解液“離域化”設(shè)計理念，并研制出能量密度超過600瓦時/公斤的軟包電芯和480瓦時/公斤的模組電池，比傳統(tǒng)鋰電池的能量密度和續(xù)航能力提高了2~3倍。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。
“偏科”的鋰金屬電池
當(dāng)前，可充放電池的“主流”是鋰電池。但很多人不知道的是，鋰電池有個全名——鋰離子電池。
“鋰離子電池的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，主要由某些氧化物材料構(gòu)成的正極、石墨材料構(gòu)成的負極，以及夾雜著鋰離子的電解液組成。”團隊成員、天津大學(xué)教授韓曉鵬說，鋰離子電池的充放電過程其實就是鋰離子在正負極之間不斷嵌入和脫嵌的過程。充電時，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。
研究人員指出，決定鋰離子電池能量密度的重要因素，是電池的正負極能夠容納多少鋰離子，目前鋰離子電池能量密度不高的主要癥結(jié)就在于此。
韓曉鵬告訴記者，目前用來制作鋰離子電池負極的材料主要是石墨。這種材料的優(yōu)點是造價低廉、性能穩(wěn)定且十分安全。但它的缺點也十分明顯，比如鋰離子容納能力不足。這直接導(dǎo)致電池能夠“充入”的電量不多，從而顯著影響電池的續(xù)航能力。
目前，科研人員已經(jīng)研發(fā)出新的替代方案——鋰金屬電池。
“相較于鋰離子電池，鋰金屬電池最大的變化是將負極的制作材料由石墨變?yōu)榧兘饘黉嚒！焙谋蛘f，這一改變大幅度提升了負極的鋰離子容納能力，但也帶來了一系列新問題。比如，鋰金屬的造價比石墨高很多，且鋰元素的性質(zhì)十分活躍，極易與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。
“更重要的是，科研人員還要解決鋰負極與正極及電解液之間的適配問題。”胡文彬說。
在這個問題上，目前傳統(tǒng)的電解液設(shè)計主要依賴溶劑主導(dǎo)或陰離子主導(dǎo)的溶劑化結(jié)構(gòu)，很難同時兼顧電池能量輸出和循環(huán)壽命的提升要求。
“簡單來說，就是目前的電解液設(shè)計往往只能集中于電池的一種特性，要么集中于提升電池容量，要么集中于提升電池的耐久度，總之，不能實現(xiàn)性能的全面兼顧。”韓曉鵬解釋說，這就像一個嚴重偏科的學(xué)生，只有一科成績優(yōu)秀，其他學(xué)科十分平庸。
胡文彬團隊的目標(biāo)就是讓鋰金屬電池這名“偏科生”能夠“全面發(fā)展”。
顯著提升電池性能
研究團隊提出了一種全新的“離域電解液”設(shè)計理念，其核心思路是通過引入多樣化的電解液微環(huán)境，增加溶劑化環(huán)境的無序性，優(yōu)化整體電解液性能。
“離域電解液主要由多種鋰鹽和溶劑組成。要想突破傳統(tǒng)電解液系統(tǒng)的局限，就得實現(xiàn)在溶劑化結(jié)構(gòu)分布上點、線、面的跨越，使鋰離子在多個局部環(huán)境中協(xié)調(diào)，提高鋰離子的擴散性，從而提升電池整體性能。”韓曉鵬說。
為實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員借助人工智能，對近300種溶劑和100種鋰鹽的分子結(jié)構(gòu)進行了計算和評估，并根據(jù)評估結(jié)果對溶劑和鋰鹽進行分類。通過分析，他們選取了表現(xiàn)最佳的類別，并將其用于離域電解液的設(shè)計。
為驗證離域電解液設(shè)計的有效性，研究團隊用這種電解液組裝了多款高能鋰金屬電池。在一系列測試中，電池成功實現(xiàn)了超過600瓦時/公斤的能量密度。這是目前世界范圍內(nèi)能量密度最高的鋰金屬軟包電池，且經(jīng)過100次循環(huán)后，電池的能量密度仍未出現(xiàn)明顯衰減。
“這足以證明離域電解液顯著提升了電池性能，特別是能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性。”韓曉鵬說。
在安全性方面，研究人員進行了一系列的熱失控和機械沖擊測試。結(jié)果表明，采用離域電解液的電池在熱和機械穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出更高的性能，且氣體釋放顯著少于現(xiàn)有的鋰金屬電池，顯示出更好的安全性。
用電池為產(chǎn)業(yè)發(fā)展“松綁”
為進一步驗證離域電解液在大規(guī)模應(yīng)用方面的潛力，研究團隊組裝了一臺3.9千瓦時的鋰金屬電池組。該電池組的能量密度達到了480.9瓦時/公斤，并在25次循環(huán)后保持穩(wěn)定性能。
受訪時，胡文彬表示，一旦這種大規(guī)模應(yīng)用成為現(xiàn)實，將在很多方面為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展“松綁”。
“目前，電池能量密度過低、續(xù)航力差的問題束縛著很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。”胡文彬以手機為例解釋說，對于消費者而言，電池能量密度低導(dǎo)致很多手機一天就得充一次電，否則難以保證正常使用。但如果能將手機電池的能量密度提升，“一周兩充”將不再是奢望。
這還不是最重要的，因為電池能量密度直接制約了手機屏幕的擴大及相關(guān)程序的安裝量，畢竟過大的屏幕及過多的程序會消耗更多電量。“如果手機電池的電量可以提升兩到三倍，手機的未來發(fā)展將會獲得比現(xiàn)在大得多的空間。”胡文彬說。
此外，伴隨著我國低空經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無人飛行器的電量問題也越來越凸顯。“電量直接制約無人機的飛行里程，甚至引發(fā)‘里程焦慮’。”他說，類似情況也會出現(xiàn)在深海乃至太空的探索過程中，而消除這些“焦慮”的最主要途徑，就是在保持電池體積大體不變的前提下，大幅提升其能量密度。
“總之，隨著相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，人們對于高能量電池的需求將日益增加，而我們的高能鋰電池技術(shù)有望為這些領(lǐng)域提供更高效的能源解決方案，這也是我們未來努力的方向。”胡文彬說。（記者 陳彬 通訊員 劉曉艷）
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09382-4
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