用于高能量密度锂金属电池的下一代电解质

用于高能量密度锂金属电池的下一代电解质
锂金属电极电镀和剥离反应的概念图
锂金属的高反应性降低了其表面的电解质，从而导致锂金属电池性能下降。为了克服这一问题，科学家们开发了功能性电解质和电解质添加剂，以形成表面保护膜，这会影响锂电池的安全性和效率，但这仍然不能有效防止某些严重的副反应。在目前的研究中，研究人员通过设计电解质来稳定锂金属和电解质，以提高锂金属的氧化还原电位，从而成功地在热力学上削弱了锂金属的反应活性，这有助于实现更好的电池性能。学分：东京大学化学系统工程系Yamada&Kitada实验室
这些发现有可能大大提高锂电池的能量密度。
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。这种新机制不依赖于传统的动力学方法。它有可能大大提高电池能量密度，即相对于重量或体积存储的能量量。
锂金属电池是一种很有前途的技术，有潜力满足高能量密度存储系统的需求。然而，由于这些电池中不断的电解质分解，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递的效率。因此，具有高库仑效率的电池具有更长的电池循环寿命。
金属锂的氧化还原电位与库仑效率的关系
提高的库仑效率（CE，纵轴）可以通过提高锂金属的氧化还原电位（ELi/Li+，横轴）来获得，这降低了还原锂金属表面电解质的热力学驱动力。插图表示化合物二茂铁（Fc/Fc+）的氧化还原曲线，用于估计给定电解质中锂金属的氧化还原电位的变化。通过比较74种不同电解质中锂金属的氧化还原电位，研究人员观察到了氧化还原电位与库仑效率之间的相关性。基于这些发现，已经很容易开发出几种能够实现高库仑效率（高达99.4%）的电解质。学分：东京大学化学系统工程系Yamada&Kitada实验室
“这是第一篇提出电极电势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和计算计算相结合而提取的。根据我们的发现，可以实现高库仑效率的几种电解质已经很容易开发出来，”，东京大学化学系统工程系教授。该团队的工作有可能为锂金属电池的下一代电解质的设计提供新的机会。
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。在这种背景下，过去几十年来进行了许多研究，以将石墨负极改为锂金属。然而，锂金属具有高反应性，这降低了其表面的电解质。因此，锂金属电极显示出较差的库仑效率。
数据科学与计算计算相结合揭示锂金属氧化还原电位变化的机理
通过偏最小二乘（PLS）回归分析获得了锂金属氧化还原电位描述符的相对重要性。锂金属的氧化还原电位的预测值和观测值之间的相关性很好地拟合，如插图所示，以及均方根误差（RMSE）。通过MD和DFT计算，收集了与电解质溶液结构和物理化学性质相关的大量数据，以及它们对锂离子氧化还原电位的影响