提高锂电池的能量密度方法可行吗

提高锂电池的能量密度方法可行吗

一组研究人员发现了一种稳定锂金属电池中锂金属电极和电解质的新机制。这种不依赖于传统动力学方法的新机制有可能大大提高电池的能量密度。
一组研究人员发现了一种稳定锂金属电池中锂金属电极和电解质的新机制。这种不依赖于传统动力学方法的新机制有可能大大提高电池的能量密度——相对于重量或体积存储的能量。

该团队在《自然能源》杂志上发表了他们的发现。

锂金属电池是一项很有前途的技术，具有满足高能量密度存储系统需求的潜力。然而，由于这些电池中电解液不断分解，它们的库仑效率很低。库仑效率，也称为电流效率，描述了电子在电池中传输的效率。因此，具有高库仑效率的电池具有更长的电池循环寿命。

“这是第一篇提出电极电位和相关结构特征作为设计锂金属电池电解质的指标的论文，这些指标是通过引入数据科学并结合计算计算提取的。根据我们的发现，几种电解质可以实现高库仑效率，很容易开发，”东京大学化学系统工程系教授 Atsuo Yamada 说。该团队的工作有可能为锂金属电池的下一代电解质设计提供新的机会。

在锂离子电池中，锂离子在充电时通过电解液从正极移动到负极，在放电时又返回。通过引入高能量密度电极，可以提高电池的能量密度。在此背景下，过去几十年进行了许多研究，将石墨负极改为锂金属。然而，锂金属具有高反应性，这会减少其表面的电解质。因此，锂金属电极表现出较差的库仑效率。

为了克服这个问题，科学家们开发了功能性电解质和形成表面保护膜的电解质添加剂。这种固体电解质界面对锂电池的安全性和效率有影响。表面保护膜防止电解质与锂金属电极直接接触，从而在动力学上减缓电解质还原。然而，直到现在，科学家们还没有完全理解固体电解质界面与库仑效率之间的相关性。

科学家们知道，如果他们提高固体电解质界面的稳定性，那么他们可以减缓电解质分解，提高电池的库仑效率。但即使采用先进的技术，科学家们也发现很难直接分析固体电解质界面化学。大多数关于固体电解质界面的研究都是用间接方法进行的。这些研究提供了间接证据，因此很难开发出可导致高库仑效率的电解质稳定锂金属。

研究小组确定，如果他们能够提高特定电解质系统中锂金属的氧化还原电位，就可以降低热力学驱动力以减少电解质，从而获得更高的库仑效率。这种策略很少应用于开发锂金属电池。Atsuo Yamada 说：“锂金属的热力学氧化还原电位随电解质的不同而显着变化，这是影响锂金属电池性能的一个简单但被忽视的因素。”

该团队研究了锂金属在 74 种电解质中的氧化还原电位。研究人员将一种名为二茂铁的化合物引入所有电解质中，作为 IUPAC（国际理论与应用化学联合会）推荐的电极电位内标。该团队证明了锂金属的氧化还原电位与库仑效率之间存在相关性。他们通过提高锂金属的氧化还原电位获得了高库仑效率。