可充電的鋰電池已經(jīng)被大規(guī)模的使用

在過去的幾十年過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，用他們的方法制造出容量為2.0?mAh的鋰/ LiCoO2(含鋰二氧化鈷)電池，可在零下15攝氏度實(shí)現(xiàn)200次充放電循環(huán)，充滿電需要45分鐘。未來，此種設(shè)計(jì)策略可能會(huì)為新型節(jié)能鋰電池的發(fā)展鋪平道路，讓電池可以在溫度低于零下10攝氏度或零下15攝氏度的國家或地區(qū)可靠地工作。鋰電池，或者說鋰金屬電池都采用鋰金屬為陽極。可充電的鋰電池被廣泛采用，用于給玩具、便攜式消費(fèi)設(shè)備和電動(dòng)汽車等各種電子設(shè)備供電。

但是，此類電池通常在室溫下才能實(shí)現(xiàn)可靠性能，當(dāng)溫度低于零下10攝氏度時(shí)，其能源效率、功率和循環(huán)壽命就會(huì)顯著下降。在低溫下不能很好工作是此類電池的一大缺點(diǎn)，極大地限制其用于特別寒冷的氣候地區(qū)。造成這一缺點(diǎn)的主要原因在于，在溫度低于零下10攝氏度時(shí)，固體電解質(zhì)間相(SEI)會(huì)變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致電池陽極在鋰電鍍時(shí)出現(xiàn)樹突。

據(jù)外媒報(bào)道，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)(Pennsylvania State University)和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)的一組研究人員最近研發(fā)了一種新型鋰金屬電池設(shè)計(jì)，可以克服上述缺點(diǎn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，與之前研發(fā)鋰電池相比，新電池在低溫下的表現(xiàn)非常好。

最開始，研究人員在低溫下仔細(xì)檢查了鋰金屬電池，以便更好地了解影響其性能的因素。他們觀察到，氣溫在零下15攝氏度時(shí)，電池的SEI(來源于傳統(tǒng)電解質(zhì))會(huì)結(jié)晶度很高且不均勻，從而極大地限制了氟化鋰納米鹽等被動(dòng)SEI成分的形成，導(dǎo)致表面鈍化不良、鋰腐蝕以及陽極上生長樹突。

在室溫下，添加其它層保護(hù)陽極、利用替代性電解質(zhì)或引入鋰主電極可以防止此類影響。但是在低溫下，控制SEI納米結(jié)構(gòu)則更具挑戰(zhàn)性，會(huì)導(dǎo)致電池運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，研究人員設(shè)計(jì)了一種納米級(jí)被動(dòng)SEI，可以讓鋰金屬陽極在低溫下穩(wěn)定運(yùn)行。

研究人員提出，可通過在銅電流集電器表面組裝1、3苯二磺酰氟單分子層來控制SEI納米結(jié)構(gòu)以及鋰電池中的鋰成核。新引入的電化學(xué)活性單分子層(EAM)改變了界面的化學(xué)環(huán)境，促進(jìn)鋰表面形成氟化鋰(LiF)。

通過改變電池界面的化學(xué)環(huán)境，研究人員新推出的設(shè)計(jì)策略改變了電解質(zhì)分解的途徑和動(dòng)態(tài)情況，進(jìn)而導(dǎo)致鈍化質(zhì)量得到提升、不同SEI的產(chǎn)生。更具體地說，該單分子層在銅電流集電器上形成了親鋰陰離子。當(dāng)該界面的鋰離子濃度較低時(shí)，可以引導(dǎo)鋰成核和生長。

在低溫情況下，此種設(shè)計(jì)策略導(dǎo)致多層SEI形成，此種多層的SEI由富含氟化鋰的內(nèi)相和非晶態(tài)外層組成。此外，此種被動(dòng)多層SEI與傳統(tǒng)鋰金屬電池中的非被動(dòng)SEI有很大的不同，傳統(tǒng)鋰金屬的SEI層在低溫時(shí)，結(jié)晶度很高，是以Li2CO3為主的結(jié)構(gòu)。

在測試中，研究人員采用新設(shè)計(jì)測量打造的新電池，發(fā)現(xiàn)在低溫下也實(shí)現(xiàn)了很好的性能。更具體地說，此種方法成功地抑制了鋰的電偶腐蝕以及自放電，讓鋰在零下60攝氏度至45攝氏度的所有溫度下都可穩(wěn)定沉積。