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

  导语：与锂离子相比，锂金属电池更轻、单位体积内的包含的能量更高，或许会成为下一代电池。

  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，其新型电解液设计能提高锂金属电池的性能，而锂金属电池是一种很有前景的技术，能够为电动汽车、笔记本电脑和别的设备提供动力。

  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单位体积内的包含的能量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途，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，因此导致电池起火以及失效。”

  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不是能够用一种普通的、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普遍的使用的元素，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，还能够实现批量生产。

  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分子却能轻松实现大批量生产，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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