新型鋰金屬電池有望實現能量翻倍、環境影響減半的目標

鋰金屬電池可以儲存兩倍於鋰離子電池的能量，但由於需要使用含氟溶劑和鹽類，因此面臨着環境挑戰。由瑪麗亞-盧卡茨卡婭（Maria Lukatskaya）領導的蘇黎世聯邦理工學院研究小組開發出了一種減少氟含量的方法，從而提高了電池的穩定性，使其更加環保和經濟。

鋰金屬電池是下一波先進高能電池的主要競爭者。與常用的鋰離子電池相比，金屬鋰電池的單位體積能量存儲至少增加了一倍。因此，這一進步可使電動汽車一次充電的行駛距離增加一倍，或使智能手機減少充電次數。

目前，鋰金屬電池仍存在一個重要缺陷：液態電解質需要添加大量含氟溶劑和含氟鹽，這增加了對環境的影響。然而，如果不添加氟，鋰金屬電池就會不穩定，充電幾次後就會停止工作，而且容易發生短路、過熱和起火。蘇黎世聯邦理工學院電化學能源系統教授瑪麗亞-盧卡茨卡婭領導的研究小組現已開發出一種新方法，可大幅減少金屬鋰電池所需的氟量，從而使其更環保、更穩定、更具成本效益。

電解液中的氟化合物有助於在電池負極的金屬鋰周圍形成保護層。Lukatskaya 解釋說："這個保護層可以比作牙齒的琺琅質。它保護金屬鋰不與電解質成分發生持續反應。如果沒有它，電解液就會在循環過程中迅速耗盡，電池就會失效，而且缺乏穩定的保護層會導致在充電過程中形成枝晶，而不是一個保形的平面保護層。"

如果這些樹枝狀突起接觸到正極，就會導致短路，從而有可能使電池升溫過快而被點燃。因此，控制保護層特性的能力對電池性能至關重要。穩定的保護層可以提高電池的效率、安全性和使用壽命。

博士生 Nathan Hong 說："問題是如何在不影響保護層穩定性的情況下減少氟的添加量。"

該研究小組的新方法利用靜電吸引來實現理想的反應。在這裡，帶電的含氟分子是將氟輸送到保護層的載體。這意味着液態電解質中只需要 0.1% 重量百分比的氟，比之前的研究至少低 20 倍。

蘇黎世聯邦理工學院研究小組在最近發表於《能源與環境科學》雜誌的一篇論文中介紹了這種新方法及其基本原理。專利申請已經完成。

最大的挑戰之一是找到可以附着氟的合適分子，而且一旦附着到鋰金屬上，也能在合適的條件下再次分解。該研究小組解釋說，這種方法的一個關鍵優勢是可以無縫集成到現有的電池生產過程中，而不會因爲改變生產設置而產生額外成本。實驗室使用的電池只有硬幣大小。

下一步，研究人員計劃測試該方法的可擴展性，並將其應用於智能手機中使用的電池。

編譯自/ScitechDaily