斯坦福研发新型电解液制锂金属电池 可减轻电动汽车重量/延长续航
时间:2020-07-23 11:25来源:盖世汽车 作者:余秋云
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（图片来源：斯坦福大学）
据外媒报道，美国斯坦福大学（Stanford University）的科学家发明了一种新型锂基电解液，可能为下一代纯电动汽车的发展铺平道路。斯坦福大学的研究人员们展示了，其新型电解液设计可以提升锂金属电池的性能，而锂金属电池是一种很有前景的技术，能够为电动汽车、笔记本电脑和其他设备提供动力。
该研究的合著者Yi Cui表示：“大多数电动汽车所用的锂离子电池的能量密度正迅速接近理论极限，因此我们的研究集中在锂金属电池，此种电池比锂离子电池更轻，单位重量和体积提供的能量更多。”
广泛用于智能手机、电动汽车等各种产品中的锂离子电池有两个电极，一个含有锂的阴极以及一个通常由石墨制成的阳极。当电池被使用以及在充电时，电解质溶液就会让锂离子在阳极和阴极之间来回穿梭。
与如今传统的锂离子电池相比，锂金属电池每千克可多容纳一倍的电力，只需用锂金属取代石墨阳极，就可以存储更多的能量。
该研究另一名合著者Zhenan Bao表示：“对于电动汽车而言，锂金属电池非常有发展前景，但是其重量和体积是一个大问题。在运行过程中，锂金属阳极会与液体电解质发生反应，导致阳极表面会有称作树突的锂微结构生长，从而导致电池起火以及失效。”
研究人员们花费了数十年的时间，以解决锂金属电池的树突问题。
（图片来源：斯坦福大学）
该研究的合著者、化学系研究生Zhiao Yu表示：“电解液一直是锂金属电池的阿喀琉斯之踵，我们在研究中采用了有机化学，以合理的方式为此类电池设计和打造稳定的新型电池电解液。”
在该项研究中，研究人员们探讨了是否可以用一种普通的、已实现商用的液体电解质来解决稳定性的问题。
Yu表示：“我们假设，在电解液分子中加入氟原子会让电解液更稳定。氟是锂电池电解液中广泛使用的元素，我们利用其能够吸引电子的能力，打造了一种新分子，让锂金属阳极能够在电解液中发挥良好的作用。”结果制成了一种新型合成化合物，缩写为FDMB，而且可以实现批量生产。
Bao表示：“电解液设计变得越来越奇特，有些虽然效果不错，但是制造成本很高。而FDMB分子却可以实现大批量生产，而且非常便宜。”
斯坦福大学团队在锂金属电池中测试了此种新型电解液，结果非常好。经过420次充放电循环，实验电池仍保有90%的初始电量。在实验室中，普通的锂金属电池在大约30次充放电循环后就会停止工作。
研究人员们还测量了，在充放电过程中，锂离子在阳极和阴极之间转移的效率，该特性称为“库伦效率（coulombic efficiency）。”
Cui表示：“如果给1000个锂离子充电，放电之后，可以回收到多少了锂离子呢？理想情况下，库伦效率达到100%，就可以回收到1000个。如果要想能够商用，电池的库伦效率要达到99.9%。而在我们的研究中，一半电池芯的库伦效率达到了99.52%，所有电池芯的库伦效率达到了99.98%，表现令人难以置信。”
为了可能会用于消费类电子产品的锂金属电池，斯坦福大学研究小组还测试了FDMB电解液在无阳极锂金属软包电池中的应用，此种电池已经实现商用，阴极会向阳极提供锂。
该研究合著者兼材料科学与工程系研究生Hansen Wang表示：“我们的想法是只用阴极一侧的锂，以减轻电池重量。该款无阳极电池在容量下降至80%之前，可以充放电循环100次，虽然无法媲美同等容量的锂离子电池（可以充放电循环500至1000次），但仍是性能最好的无阳极电池之一。研究结果显示，该款电池可广泛用于各种设备，轻型、无阳极电池将成为无人机和许多消费电子产品一个吸引客户的特性。”
美国能源部正在资助一个名为Battery500的大型研究团体，以实现锂金属电池，从而让汽车制造商能够打造更轻、续航里程更长的电动汽车。该研究的部分资助也来自该团体，而该团体包括斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室。
通过改进阳极、电解质和其他电池组件，Battery500的目标是将锂金属电池的电量提高近2倍，从2016年的180瓦时/千克提升至500瓦时/千克。更高的能量-重量比，或者更高的“比能”才是解决电动汽车买家续航里程焦虑的关键。
Cui表示：“我们在实验室打造的无阳极电池的比能达到了325瓦时/千克，相当可观。我们的下一步是与Battery500的其他研究人员合作，打造接近该团队目标的500瓦时/千克的电池。”
除了具有更长的循环寿命和更好的稳定性，与传统电解液相比，FDMB电解液也更不易燃。
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