據(jù)外媒報(bào)道，下一代電池的一個(gè)特別有前途的架構(gòu)是使用純鋰金屬，這種材料具有出色的能量密度，可以使電動汽車在每次充電時(shí)行駛更遠(yuǎn)。美國的一個(gè)研究小組已經(jīng)在這項(xiàng)技術(shù)上邁出了重要的一步，提出了一種長效鋰金屬電池的設(shè)計(jì)，該電池在破紀(jì)錄的充電周期內(nèi)仍能保持功能。

這些類型的電池背后的想法是將陽極組件中使用的石墨換成純鋰金屬，它可以容納多達(dá)10倍的能量。鋰金屬被一些研究人員描述為一種夢幻般的材料，被認(rèn)為是幫助我們突破能源儲存的關(guān)鍵瓶頸的關(guān)鍵，但科學(xué)家們一直在努力解決壽命問題，到目前為止開發(fā)的版本在使用過程中很快就會失效。

這種失敗的原因之一是發(fā)生在陽極周圍的復(fù)雜反應(yīng)，影響到陽極上面的一層薄膜，稱為固體電解質(zhì)界面相(SEI)。這層薄膜控制著從電解質(zhì)溶液中進(jìn)入陽極的分子，電子通過這層薄膜來回穿梭于電池的另一個(gè)電極，即陰極。

這樣一來，這種把關(guān)的作用使SEI承擔(dān)了防止電池循環(huán)時(shí)發(fā)生不必要的化學(xué)反應(yīng)的責(zé)任，而這正是美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的科學(xué)家在一項(xiàng)新研究中所針對的機(jī)制。人們通常認(rèn)為，增加陽極中的鋰的數(shù)量是解決這一問題的方法之一，但該團(tuán)隊(duì)通過另一種方法發(fā)現(xiàn)了成功。

“許多人都認(rèn)為，更厚的鋰會使電池的壽命更長，”該論文的通訊作者肖杰說。“但這并不總是真的。每個(gè)鋰金屬電池都有一個(gè)優(yōu)化的厚度，取決于其電池能量和設(shè)計(jì)。”

科學(xué)家們使用非常薄的鋰條作為他們的陽極的基礎(chǔ)，每條的寬度只有20微米，遠(yuǎn)比人的頭發(fā)薄。這種陽極被加工成能量密度為350Wh/kg的袋式電池。今天使用的同類最好的鋰離子電池的密度為250至300Wh/kg，因此雖然350Wh/kg在研究界并非聞所未聞，但它將是對目前可用技術(shù)的明顯改進(jìn)。

在測試中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在創(chuàng)紀(jì)錄的600次循環(huán)后，該電池保持了76%的容量。同樣的研究人員在四年前展示了一個(gè)可以跨越50次循環(huán)的實(shí)驗(yàn)性鋰電池，然后在兩年前展示了一個(gè)能夠跨越200次循環(huán)的鋰電池。目前這個(gè)創(chuàng)紀(jì)錄的版本是向前邁出的另一個(gè)關(guān)鍵步驟，根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的說法，其持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過類似研究項(xiàng)目中正在開發(fā)的任何其他產(chǎn)品。

該團(tuán)隊(duì)將該設(shè)計(jì)的成功歸功于較薄的條帶促進(jìn)了更好的SEI，因此與扼殺重要電化學(xué)反應(yīng)的較厚條帶相比，電解質(zhì)和陽極之間有更好的相互作用。在解決了與鋰金屬電池有關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵問題之后，作者希望通過一個(gè)被稱為Battery500的多機(jī)構(gòu)聯(lián)盟繼續(xù)改進(jìn)該技術(shù)，該聯(lián)盟正在努力實(shí)現(xiàn)500Wh/kg的能量密度。

"Battery500聯(lián)盟在提高能量密度和延長循環(huán)壽命方面取得了巨大進(jìn)展，"2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、該論文的共同作者斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham)說。“但還有很多事情需要做。特別是，鋰金屬電池存在的安全問題必須得到解決。這也是Battery500團(tuán)隊(duì)正在努力解決的問題。”

該研究發(fā)表在《自然-能源》雜志上。