佛羅里達(dá)州立大學(xué)和康奈爾大學(xué)一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，由廉價(jià)而安全的部件制成的電池，其電池能效是目前最先進(jìn)鋰離子電池的三到四倍，其研究發(fā)表在《自然通訊》上。法姆-佛羅里達(dá)州立大學(xué)工程學(xué)院的博士后研究員Nijamudheen和康奈爾大學(xué)的博士生Snehashis Choudhury，以及這兩所大學(xué)的教職員工，開(kāi)始了一項(xiàng)雄心勃勃的研究，研究是什么阻礙了目前的電池設(shè)計(jì)，以及如何改進(jìn)它。

如果我們看一下電池成本隨時(shí)間的變化，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)矢量一直在上升，這并不奇怪，廣泛采用電池技術(shù)需要更低的成本。為了降低這些成本，研究人員解決了幾個(gè)與電解質(zhì)有關(guān)的具體問(wèn)題。電解質(zhì)是電池結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，可以促使離子從一個(gè)電極向另一個(gè)電極的移動(dòng)。研究小組開(kāi)始研究電解質(zhì)在電池電極上降解的化學(xué)過(guò)程，研究人員不僅發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)降解的機(jī)制，還發(fā)現(xiàn)了多種解決方法，發(fā)現(xiàn)控制負(fù)極形成的相間離子特性是關(guān)鍵。

通過(guò)量子計(jì)算，Nijamudheen和導(dǎo)師，fsu化學(xué)工程助理教授Jose menza - cortes發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題源于電解液中一種叫做二甘醇成分發(fā)生聚合的方式。聚合是一種分子通過(guò)化學(xué)結(jié)合產(chǎn)生一種叫做聚合物的長(zhǎng)鏈狀分子過(guò)程。就電池而言，電解質(zhì)在與電池的正極和負(fù)極長(zhǎng)時(shí)間接觸后，常常會(huì)分裂并重新形成更大的分子。康奈爾大學(xué)(Cornell University)教授、喬杜里的顧問(wèn)林登·阿徹(Lynden Archer)說(shuō)：雖然降解過(guò)程本身是無(wú)害的，但副產(chǎn)品會(huì)阻止離子進(jìn)入電池電極，隨著時(shí)間的推移，這會(huì)減少電池所能儲(chǔ)存的能量。

然而，盡管這一過(guò)程產(chǎn)生的某些聚合物會(huì)阻止離子到達(dá)電極，但其他聚合物已被證明在延長(zhǎng)電池壽命方面有效。在掌握了聚合計(jì)算之后，研究人員開(kāi)始研究聚合過(guò)程不會(huì)影響電池性能的其他類(lèi)型電解質(zhì)。通常，鋰電池是由有機(jī)碳酸鹽電解質(zhì)制成，但這些電解質(zhì)高度易燃。因此，為降低熱失控和電池火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，必須使用昂貴的熱調(diào)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)提供過(guò)熱電池單元的冷卻。相反，研究人員測(cè)試了一種不易燃的穩(wěn)定電解質(zhì)鋰硝酸鹽電解質(zhì)。利用這種電解質(zhì)，研究人員開(kāi)始在固態(tài)電解質(zhì)間相(SEI)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

SEI是由于電解液分解而形成的一層保護(hù)層，通常在電池的第一個(gè)周期。法姆-佛羅里達(dá)大學(xué)工程學(xué)院的助理教授門(mén)多薩-科爾特斯說(shuō)：一旦有了一個(gè)好的SEI，就有了一個(gè)好的電池，研究的想法是找到一種電解質(zhì)和溶劑，可以形成一種穩(wěn)定的SEI。研究人員利用犧牲鹽或通過(guò)電解質(zhì)引入的分子物種，在電池中自然形成一種新型SEI。還引入了鏈轉(zhuǎn)移劑(一串分子)，與二甘醇相互作用，形成一個(gè)屏蔽層，保護(hù)帶負(fù)電荷的電極不被降解。

為了評(píng)估設(shè)計(jì)的有效性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)電池的使用能力進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，然后再充電。發(fā)現(xiàn)，這種電池可以循環(huán)大約2000次，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的300到500次充電，而傳統(tǒng)充電周期與大多數(shù)鋰離子電池有關(guān)。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，可以獲得這種系統(tǒng)前所未有的效率，研究改進(jìn)了SEI。這將意味著更持久的電力供應(yīng)，有很大的潛力。

研究/來(lái)自：佛羅里達(dá)州立大學(xué)參考期刊《自然通訊》DOI: 10.1038/s41467-019-11015-0博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普a

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