日前，斯坦福大學的科學家開發出一種新型鋰基電解質，或為未來電池驅動的電動汽車鋪平道路。在論文中，研究人員展示了他們的新型電解質設計是如何提高鋰金屬電池性能的，該論文發表在《自然能源》上。

美國國家加速器實驗室的材料科學與工程和光子科學教授崔毅（音譯）說：“大多數電動汽車都在使用鋰離子電池，其能量密度正迅速接近理論極限，為此我們把研究的目光放到了鋰金屬電池上，它比鋰離子電池更輕，并且在單位重量和體積上可以提供更多的能量。”

鋰金屬比石墨陽極能存儲更多的能量，因此通過用鋰金屬代替石墨陽極，鋰金屬電池每千克可容納的電量是傳統鋰離子電池的兩倍。但在工作過程中，鋰金屬陽極會與液體電解質發生反應，導致陽極表面的鋰微結構樹突的生長，最終引發電池起火和故障。

研究人員余志傲（音譯）說：“電解液問題一直是鋰金屬電池的致命弱點，在我們的研究中，我們使用有機化學來合理設計和創造新的、穩定的電池電解質。”在這項研究中，余志傲和他的團隊探討了他們是否可以用一種普通的、商業上可獲得的液體電解質來解決穩定性問題。

圖片來源：斯坦福大學

“我們假設在電解質分子中加入氟原子會使液體更穩定。氟是鋰電池的電解質中廣泛使用的元素。我們利用它吸引電子的能力創造了一種新分子，使鋰金屬陽極在電解質中發揮良好的功能，”余志傲繼續說道。

實驗結果生成了一種新的合成化合物，簡稱FDMB，這種化合物易于批量生產。

研究人員表示電解液的設計變得越來越奇特，雖然有些已經顯示出良好的前景，但他們的生產成本非常昂貴。而他們發明的FDMB分子則方便大批量生產，且價格便宜。

研究小組在鋰金屬電池中測試了這種新型電解質。結果是戲劇性的。經過420次的充放電，實驗電池保持了90％的初始電量。在實驗室中，傳統的鋰金屬電池在大約30次循環后停止工作。

研究人員還測量了鋰離子在充電和放電過程中在正極和負極之間轉移的效率，這一特性被稱為“庫侖效率”。崔毅教授說：“如果你給1000個鋰離子充電，放電后你能得到多少？理想情況下，你希望得到1000個，但這樣的庫倫效率必須達到100％。要在商業上可行的話，庫倫效率則必須至少達到99．9％。在我們的研究中，半電池的庫倫效率為99．52％，完整電池的庫倫效率則高達99．98％。是個難以置信的結果。”

對于潛在的消費類電子產品的應用，斯坦福大學的研究小組還測試了FDMB電解質在無陽極鋰金屬袋電池中的應用。

“我們的想法是只使用陰極一側的鋰來減輕重量，”該研究的共同第一作者漢森·王（Hansen Wang）說，“無陽極電池在容量下降到80％之前可以運行100次循環，雖然不如同等容量的鋰離子電池500到1000次循環，但仍是性能最好的無陽極電池之一。”

美國能源部（DOE）正在資助一個名為Battery500的大型研究項目，以使鋰金屬電池成為可能，便于汽車制造商制造出更輕、續航里程更長的電動汽車。通過改進陽極、電解質和其他組件，Battery 500的目標是將鋰金屬電池的發電量提高近兩倍，從2016年該項目啟動時的每千克180瓦時提高到每千克500瓦時。

崔毅說：“我們實驗室的無陽極電池達到了每千克325瓦時。我們的下一步可能是與Battery500的其他研究人員合作，構建接近聯盟目標每千克500瓦時的電池。”

除了更長的循環壽命和更好的穩定性，FDMB電解液也不像傳統電解質那么易燃。

研究人員表示該研究提供了一個設計原則，人們可以應用它來設計出更好的電解質。他們只展示了一個例子，還有很多其他的可能性。

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