斯坦福大學的最新研究表明，鋰金屬電池有望獲得新的應用，可以增加電動汽車的續駛里程。

當前的電動汽車，筆記本電腦和其他可充電設備由鋰離子電池供電，鋰離子電池通常使用石墨陽極，這種陽極笨重且昂貴，但直到現在仍是必需的電池組件。

鋰金屬電池提供了更輕巧的選擇，因為它們用能夠存儲更多能量的鋰金屬代替了石墨，這對于電動汽車具有顯著增加行駛里程或減輕電池重量的好處，因為在相同范圍內需要的電池更少。

盡管鋰金屬電池可以存儲的能量約為標準鋰離子電池的兩倍，但它們具有內在的穩定性問題，這意味著它們僅在30個循環后就無法保持充電，這意味著它們目前僅可用作不可充電的電池。

這項新的研究意義重大，因為它使用了一種新的電解質材料，該材料可以提高穩定性并因此可以延長循環時間，如果將其投放市場，則意味著可以將鋰金屬用作可充電電池。

該研究的合著者，SLAC國家加速器實驗室的材料科學與工程學教授和光子科學教授YiCui在一份聲明中說：“大多數電動汽車都使用鋰離子電池運行，這些鋰離子電池正在迅速接近其能量密度的理論極限。”。

“我們的研究重點是鋰金屬電池，它比鋰離子電池更輕，并且每單位重量和體積都可以提供更多的能量。”

在周一《自然能源》上發表的一項新研究中，斯坦福大學的研究人員描述了一種新穎的電解質設計，該電解質設計從根本上提高了鋰金屬材料的穩定性，有可能使其成為為電動汽車和其他設備供電的重要競爭者。

該研究的共同作者，工程學院KKLee教授鮑振安在一份聲明中說：“鋰金屬電池對于電動汽車非常有前途，因為電動汽車的重量和體積是一個大問題。”

“但是在運行過程中，鋰金屬陽極會與液體電解質發生反應。這會導致鋰微結構在陽極表面生長，這會導致電池著火并發生故障。”

左側為常規（透明）電解質，右側為新型斯坦福電解質。資料來源：斯坦福大學

為了解決這個已有數十年歷史的枝晶問題，研究人員假設在電解液分子中添加氟原子以增加其在鋰金屬電池中的穩定性。

“電解質一直是鋰金屬電池的致命弱點，”化學研究的共同主要作者余志高說。

氟是鋰電池電解液中廣泛使用的元素。我們利用其吸引電子的能力創建了一個新分子，使鋰金屬陽極在電解質中發揮良好的作用。”

在半金屬和全電池條件下，在鋰金屬電池中測試了注入氟橡膠的新型液體電解質分子FDMB。

結果是驚人的：不僅電池在實驗室環境中循環了420次，而不是30次，其“庫侖效率”（即您從儲存的能量中獲得了多少能量）非常高。研究人員說，它的可燃性也遠低于傳統的液體電解質。

斯坦福大學開發的常規碳酸鹽電解質（左）和新型FDMB電解質（右）的可燃性測試。常規碳酸鹽電解質在接觸火焰后立即可燃，但FDMB電解質可耐受直接火焰至少三秒鐘。

“如果您充電1,000個鋰離子，放電后又能回收多少個鋰離子？”崔說。

“理想情況下，您要在1,000的千分之一中獲得100％的庫侖效率。為了在商業上可行，電池單元需要至少99.9％的庫侖效率。在我們的研究中，半電池和全電池電池的比率分別為99.52％和99.98％；令人難以置信的表現。”

為了正確地看待這個數字，特斯拉電池研究公司的杰夫·德恩（JeffDahn）在最近的一次采訪中說，目前使用的鋰離子電池（例如在電話中）已經占99.8％，并且可持續使用大約4-5年。持續20年的EV電池的庫侖效率必須更接近99.95％。

Dahn說：“整體效率是衡量鋰離子電池性能的一種指標。”“您希望庫侖效率精確到1[100％]。”

“如果您希望電動汽車中的電池能夠使用20年……在測試條件下，哥倫比效率必須更像是0.9995[99.95％]。”

斯坦福大學的團隊還進行了實驗，將FDMB電解質與無陽極的鋰金屬袋式電池一起使用-一種市售電池，完全消除了陽極，減少了鋰的需求量，從而減輕了重量。

盡管該實驗的結果在100個循環后仍顯示出容量下降的趨勢，但研究人員表示，這仍然是迄今為止無陽極技術的最佳例證之一。

材料科學與工程專業的研究生合著者漢森·王（HansenWang）說：“想法是僅在陰極側使用鋰來減輕重量。”

“無陽極電池在其容量下降到80％之前運行了100個循環-不及同等的鋰離子電池，后者可以持續500至1,000個循環，但仍然是性能最好的無陽極電池之一。”

“這些結果表明了對多種設備的希望，”Bao說。“輕巧，無陽極的電池將成為無人機和許多其他消費電子產品的誘人特性。”

研究人員說，他們希望他們的活動能夠導致與Battery500財團合作，Battery500財團是美國政府支持的機構，旨在使電池的每千克能量密度達到500瓦時。

從角度來看，當前的特斯拉電池（如該特斯拉“鋰摻雜”電池專利說明中所述）每千克容量的功率為247瓦時。

研究人員稱，使用FDMB電解液的無陽極電池已經達到每公斤325瓦時。

Cui說：“我們的下一步可能是與Battery500中的其他研究人員合作，構建接近該聯盟的500千瓦時/千克目標的電池。”

“我們的研究基本上提供了一種設計原則，人們可以應用它來設計更好的電解質，”Bao補充說。“我們只是展示了一個例子，但還有許多其他可能性。”